CN108759810A - 一种基于强磁场下金刚石nv色心的惯性测量装置与方法 - Google Patents

一种基于强磁场下金刚石nv色心的惯性测量装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量装置与方法，采用内含高浓度氮‑空位(NV)色心的金刚石材料作为敏感元件，利用激光和500高斯左右的强磁场实现核自旋的极化，并利用脉冲激光及脉冲微波实现金刚石NV色心的操控与检测，从而实现惯性转动的测量。相比于利用电子自旋进行惯性转动测量，本发明依靠核极化大幅度提高了测量灵敏度，对基于量子原理的惯性测量系统研制有着重要价值，将服务于未来各领域特别是民用小型化的惯性导航和测姿系统。

Description

一种基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量装置与方法
技术领域
本发明涉及惯性测量的技术领域，具体涉及一种基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量装置与方法，可推广应用到其他量子体系中。
背景技术
近年来，金刚石NV色心材料广泛应用于量子计算、量子测量等领域。金刚石NV色心应用于转动角速度测量的灵敏度δω表示如下：
其中R表示对比度，η表示荧光收集效率，N表示参与测量的自旋数量，Tc表示自旋相干时间，tm表示总测量时间。显然总测量时间tm越大，角速度测量灵敏度越好，而总测量时间tm受限于自旋相干时间。因此延长自旋相干时间可提高转动角速度测量的灵敏度。
房建成，张晨等人发明的一种色心金刚石陀螺是基于电子自旋极化实现的惯性转动测量，而电子自旋的自旋相干时间最长可达us量级，这对利用金刚石NV色心进行惯性传感的仪器而言仍是较大限制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量装置与方法，依靠核自旋极化极大的延长自旋相干时间，大幅度提高了测量灵敏度。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为采用内含高浓度氮-空位(NV)色心的金刚石材料作为敏感元件，利用激光和500高斯左右的强磁场实现核自旋的极化，并利用脉冲激光及脉冲微波实现金刚石NV色心的操控与检测，从而实现惯性转动的测量。
具体包括：
一种基于金刚石NV色心的惯性测量装置，包括脉冲激光发生部分、脉冲微波发生部分、样品与其操控部分和信号采集与数据处理部分；
脉冲激光发生部分，包括光源、第一透镜、光开关、第二透镜、脉冲发生器、光强调节组件，其中光源可使用但不限于532nm激光器，光开关可使用但不限于声光调制器(AOM)，光强调节组件可使用但不限于圆形可调衰减器，光源产生连续激光，光开关在脉冲发生器的控制下与第一透镜和第二透镜一起实现从连续光输入向脉冲光输出的转换，光强调节组件调节后续光路的光强；
脉冲微波发生部分，包括微波源、微波开关、脉冲发生器，微波源产生频率可调的微波，微波开关在脉冲发生器的控制下使连续微波输入变为脉冲微波输出；
脉冲发生器在主控制机虚拟仪器控制下进行脉冲的输出，从而控制AOM和微波开关，虚拟仪器可使用但不限于Labview软件；
样品与其操控部分，包括金刚石样品、微波产生结构、样品架、磁场发生装置，其中微波产生结构可使用但不限于平行导线形式产生微波，样品架可使用但不限于印刷电路板，金刚石样品放置于样品架上，附近制作用于传导微波的微波产生结构，磁场发生装置提供实验过程中需要的磁场；
磁场发生装置，包括线圈、第一框架、第一转动机构、第二框架、第二转动机构，其中线圈由4个铁磁性材料制成的圆柱形铁芯缠绕金属线制成，第一转动机构和第二转动机构采用但不限于齿轮传动机构并配合游标系统进行精密定位，为便于叙述，图片右上角附带二维坐标系，线圈用于产生x-y平面内任意方向任意大小的磁场。线圈固连于第一框架上，第一转动机构可控制第一框架绕x轴转动，上述装置固连于第二框架上，第二转动机构可控制第二框架绕y轴转动，从而实现空间任意方向任意大小的磁场调节。
所述的信号采集与数据处理部分包括荧光收集部分和数据处理部分，其中荧光收集部分用于实现荧光收集，数据处理部分利用主控制机实现电信号的后续处理。
其中，信号采集与数据处理部分，荧光收集部分包括但不限于使用物镜进行共聚焦收集；
其中，信号采集与数据处理部分，包括二向色镜、物镜、光电敏感器件、主控制机，其中光电敏感器件可以使用但不限于PN结光电二极管，金刚石样品受激发光作用会产生荧光，荧光经过物镜、二向色镜进入光电敏感器件，光电敏感器件将光信号转换为电信号后传输到主控制机进行数据处理得到系统的转动参数。
一种基于金刚石NV色心的惯性测量方法100，利用基于金刚石NV色心的惯性测量装置，使用时按照以下时序完成一次系统转动参数的测量：
步骤110、对样品施加激光脉冲，实现NV色心电子自旋的极化；
步骤120、通过磁场发生装置，保证金刚石样品一个NV轴方向上存在500高斯左右的强磁场，再次施加激光脉冲，极化NV色心核自旋到|ms＝0，mI＝+1>的状态；(ms表征电子状态，mI表征核状态)；
步骤130、NV色心核自旋自由演化敏感惯性转动，转动信息反映在量子态相位中；
步骤140、对样品施加微波脉冲，微波时间由两个电子态之间(ms＝0和ms＝1)拉比震荡π角度对应的时间确定，将转动信息由电子自旋相位转化到电子自旋布居数中；
步骤150、对样品施加激光脉冲，检测NV色心出射的荧光，收集荧光通过光电敏感单元将光信号转变为电信号；
步骤160、数据处理单元处理得到的电信号获得系统的转动参数。
一种基于金刚石NV色心的惯性测量方法，步骤150中电信号对应的值包括电压值和电流值。
本发明的原理：
本发明通过对金刚石内NV-色心自旋在空间旋转时产生的几何相进行检测实现转动角速度的测量。具体操作步骤的原理如下：
(1)NV色心电子自旋极化
如图3所示，金刚石电子能态包含一个基态三重态(ms＝0，ms＝±1)、一个激发态三重态(ms＝0，ms＝±1)和两个亚稳态单态(1E和1A)。其中ms＝0和ms＝±1由于零场分裂处于不同的能级，当没有外加磁场时，ms＝±1能量相同，互相简并。(ms表征电子状态，mI表征核状态)；
施加激光，电子会如图中箭头所示发生跃迁，其中激发态和基态之间的跃迁ms保持不变，但激发态有一部分电子会跃迁到亚稳态1E，进而通过1A跃迁到基态。具体而言，激发态ms＝0有绝大部分回到基态并保持ms＝0，而激发态ms＝±1则有一半回到基态并保持ms＝±1，另一半跃迁到亚稳态单态最终回到基态ms＝0。随着上述过程不断进行，最终电子都汇聚到ms＝0态，也就实现了NV色心电子自旋极化。
(2)NV色心核自旋极化
如图4所示，当有外加磁场时，ms＝±1能量不再相同，且能量差值随外加磁场增大而增大(如上图所示)。当外加磁场达到500高斯附近时，激发态的ms＝-1与ms＝0能量相近(图4中虚线圆圈处)，此时由于激发态能级反交叉原理(ESLAC)，处于这两种状态的原子可以互相转移。具体而言，考虑到核自旋与电子自旋耦合产生的超精细能级，|ms＝0，mI＝0>和|ms＝-1，mI＝+1>两种状态的原子可以互相转移，|ms＝0，mI＝-1>和|ms＝-1，mI＝0>两种状态的原子可以互相转移(对应于图5中的两条虚线箭头)。
又由于电子自旋和核自旋跃迁选择禁则，只有Δms＝±1且ΔmI＝0的情况可以发生(即图5中3条点划线所示)。此时施加激光作用(对应图5中6条实线箭头)，原子会不断跃迁并逐渐汇聚到|ms＝0，mI＝+1>的状态，也就完成了NV色心核自旋的极化。
(3)NV色心核自旋自由演化敏感惯性转动
根据几何相的理论，假设转动角速度为ω，则t时间后，态|ms＝0，mI＝+1>上会附加一个相位其中Φd表示动力学项，取决于外磁场的大小。这样，系统的转动信息将反映在|ms＝0，mI＝+1>的相位中。
(4)转动参数读出
通过一段时间的微波脉冲作用，将|ms＝0，mI＝+1>的相位转移到电子自旋为|ms＝+1，mI＝+1>的态上，微波时间由两个态之间拉比震荡π角度对应的时间确定。以上步骤实现了电子自旋相位向电子自旋布居数的转化。此时施加激光脉冲，检测NV色心出射的荧光，电子自旋布居数不同，荧光强度不同，据此可以获得含有ω的相位信息，进而获得系统的转动参数。
本发明的优点：本发明的一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的惯性测量装置，结构简单，调节精确，可以在一定范围内提供空间任意方向任意大小的磁场，通过施加500高斯左右的强磁场可以实现NV色心的核极化，本发明的一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的惯性测量方法通过核极化原理进行惯性旋转测量，极大的延长了自旋相干时间，从而极大的提高了灵敏度，有利于利用固态量子系统进行惯性测量的相关研究的进行。
本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的惯性测量装置的系统图(图形尺寸不代表实际比例)；
图2为本发明的一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的惯性测量方法的示意性流程图；
图3为零磁场下NV色心能级结构示意图；
图4为非零磁场下NV色心能级结构变化示意图；
图5为激发态能级反交叉原理(ESLAC)示意图；
图中附图标记含义为：1为光源，2为第一透镜，3为光开关，4为第二透镜，5为光强调节组件，6为二向色镜，7为物镜，8为金刚石样品，9为微波产生结构，10为样品架，11为微波源，12为微波开关，13为脉冲发生器，14为光电敏感器件，15为主控制机，16为线圈，17为第一框架，18为第一转动机构，19为第二框架，20为第二转动机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
图1所示一种基于金刚石NV色心的惯性测量装置，包括脉冲激光发生部分、脉冲微波发生部分、样品与其操控部分和信号采集与数据处理部分；
脉冲激光发生部分，包括光源1、第一透镜2、光开关3、第二透镜4、脉冲发生器13、光强调节组件5，光开关3可选用声光调制器(AOM)，光强调节组件5可选用圆形可调衰减器，光源1产生532nm连续激光，光开关3在脉冲发生器13的控制下与第一透镜2和第二透镜4一起实现从连续光输入向脉冲光输出的转换，光强调节组件5调节后续光路的光强；
脉冲微波发生部分，包括微波源11、微波开关12、脉冲发生器13，微波源11产生频率可调的微波，微波开关12在脉冲发生器13的控制下使连续微波输入变为脉冲微波输出；
脉冲发生器13，在主控制机15Labview软件控制下进行脉冲的输出，从而控制光开关3和微波开关12；
样品与其操控部分，包括金刚石样品8、微波产生结构9、样品架10、磁场发生装置，样品架10可选用印刷电路板，金刚石样品8放置于印刷电路板上，表面制作用于产生微波的微波产生结构9，微波产生结构9可采用平行导线方式，磁场发生装置提供实验过程中需要的磁场；
磁场发生装置，包括线圈16、第一框架17、第一转动机构18、第二框架19、第二转动机构20，其中线圈16由4个铁磁性材料制成的圆柱形铁芯缠绕金属线制成(分别为16-1，16-2，16-3，16-4)，第一转动机构18和第二转动机构20采用齿轮传动机构并配合游标系统进行精密定位，为便于叙述，图片右上角附带二维坐标系，线圈16用于产生x-y平面内任意方向任意大小的磁场。线圈16固连于第一框架17上，第一转动机构18可控制第一框架17绕x轴转动，上述装置固连于第二框架19上，第二转动机构20可控制第二框架19绕y轴转动，从而实现空间任意方向任意大小的磁场调节。
信号采集与数据处理部分，包括荧光收集部分，荧光收集部分使用物镜进行共聚焦收集；
信号采集与数据处理部分，包括二向色镜6、物镜7、光电敏感器件14、主控制机15，光电敏感器件14可采用PN结光电二极管，金刚石样品8受激光作用会产生荧光，荧光经过物镜7、二向色镜6进入光电敏感器件14，光电敏感器件14将光信号转换为电信号后传输到主控制机15进行数据处理得到系统的转动参数。
一种基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量方法100，利用基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量装置，其特征在于使用时按照以下时序完成一次系统转动参数的测量：
步骤110、对样品施加激光脉冲，实现NV色心电子自旋的极化；
步骤120、通过磁场发生装置，保证金刚石样品一个NV轴方向上存在500高斯左右的强磁场，再次施加激光脉冲，极化NV色心核自旋到|ms＝0，mI＝+1>的状态；(ms表征电子状态，mI表征核状态)
步骤130、NV色心核自旋自由演化敏感惯性转动，转动信息反映在量子态相位中；
步骤140、对样品施加微波脉冲，微波时间由两个电子态之间(ms＝0和ms＝1)拉比震荡π角度对应的时间确定，将转动信息由电子自旋相位转化到电子自旋布居数中；
步骤150、对样品施加激光脉冲，检测NV色心出射的荧光，收集荧光通过光电敏感单元将光信号转变为电压信号；
步骤160、数据处理单元处理得到的电信号获得系统的转动参数。
应理解，在本发明实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量装置，其特征在于：装置采用内含高浓度氮-空位(NV)色心的金刚石材料作为敏感元件，利用激光和500高斯左右的强磁场实现核自旋的极化，并利用脉冲激光及脉冲微波实现金刚石NV色心的操控与检测，从而实现惯性转动的测量，装置包括脉冲激光发生部分、脉冲微波发生部分、样品与其操控部分和信号采集与数据处理部分；其中，
所述的脉冲激光发生部分，包括光源(1)、第一透镜(2)、光开关(3)、第二透镜(4)、脉冲发生器(13)、光强调节组件(5)，其中光源(1)可使用但不限于532nm激光器，光开关(3)可使用但不限于声光调制器(AOM)，光强调节组件(5)可使用但不限于圆形可调衰减器，光源(1)产生连续激光，光开关(3)在脉冲发生器(13)的控制下与第一透镜(2)和第二透镜(4)一起实现从连续光输入向脉冲光输出的转换，光强调节组件(5)调节后续光路的光强；
所述的脉冲微波发生部分，包括微波源(11)、微波开关(12)、脉冲发生器(13)，微波源(11)产生频率可调的微波，微波开关(12)在脉冲发生器(13)的控制下使连续微波输入变为脉冲微波输出；
所述的样品与其操控部分，包括金刚石样品(8)、微波产生结构(9)、样品架(10)、磁场发生装置，其中微波产生结构(9)可使用但不限于平行导线形式产生微波，样品架(10)可使用但不限于印刷电路板，金刚石样品(8)放置于样品架(10)上，附近制作用于传导微波的微波产生结构(9)，磁场发生装置提供实验过程中需要的磁场；
所述的信号采集与数据处理部分包括荧光收集部分和数据处理部分，其中荧光收集部分用于实现荧光收集，数据处理部分利用主控制机(15)实现电信号的后续处理。
2.根据权利要求1所述的基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量装置，其特征在于：所述的脉冲发生器(13)，在主控制机(15)虚拟仪器控制下进行脉冲的输出，从而控制AOM和微波开关(12)，虚拟仪器可使用但不限于Labview软件。
3.根据权利要求1所述的基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量装置，其特征在于：所述的磁场发生装置，包括线圈(16)、第一框架(17)、第一转动机构(18)、第二框架(19)、第二转动机构(20)，其中线圈(16)由4个铁磁性材料制成的圆柱形铁芯缠绕金属线制成，第一转动机构(18)和第二转动机构(20)采用但不限于齿轮传动机构并配合游标系统进行精密定位，线圈(16)用于产生x-y平面内任意方向任意大小的磁场；线圈(16)固连于第一框架(17)上，第一转动机构(18)可控制第一框架(17)绕x轴转动，第一转动机构(18)固连于第二框架(19)上，第二转动机构(20)可控制第二框架(19)绕y轴转动，从而实现空间任意方向任意大小的磁场调节。
4.根据权利要求1所述的基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量装置，其特征在于：所述的信号采集与数据处理部分，包括二向色镜(6)、物镜(7)、光电敏感器件(14)、主控制机(15)，其中光电敏感器件(14)可以使用但不限于PN结光电二极管，金刚石样品(8)受激发光作用会产生荧光，荧光经过物镜(7)、二向色镜(6)进入光电敏感器件(14)，光电敏感器件(14)将光信号转换为电信号后传输到主控制机(15)进行数据处理得到系统的转动参数。
5.一种基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量方法100，利用权利要求1-4任一项所述的基于金刚石NV色心的惯性测量装置，其特征在于：使用时按照以下时序完成一次系统转动参数的测量：
步骤110、对样品施加激光脉冲，实现NV色心电子自旋的极化；
步骤120、通过磁场发生装置，保证金刚石样品一个NV轴方向上存在500高斯左右的强磁场，再次施加激光脉冲，极化NV色心核自旋到|ms＝0，mI＝+1>的状态；(ms表征电子状态，mI表征核状态)；
步骤130、NV色心核自旋自由演化敏感惯性转动，转动信息反映在量子态相位中；
步骤140、对样品施加微波脉冲，微波时间由两个电子态之间(ms＝0和ms＝1)拉比震荡π角度对应的时间确定，将转动信息由电子自旋相位转化到电子自旋布居数中；
步骤150、对样品施加激光脉冲，检测NV色心出射的荧光，收集荧光通过光电敏感单元将光信号转变为电信号；
步骤160、数据处理单元处理得到的电信号获得系统的转动参数。
6.根据权利要求5所述的一种基于强磁场下金刚石NV色心的惯性测量方法，其特征在于：步骤150中电信号对应的值包括电压值和电流值。
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