CN109001652A - 一种基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法，本发明技术方案中，磁敏感单元的电子在不同强度的外磁场作用下，电子能级之间的塞曼分裂不同，通过调控场以及调控激光对电子施加连续激发操控，可以使得体系的自旋达到平衡状态，体系自旋布居度受外磁场影响。由此，可以得到强度随体系自旋布居度变化的荧光信号，根据外磁场强度的不同，可以得到不同强度的荧光信号。本发明技术方案是在平衡态下进行测量，是一种稳态的测量，不受体系豫驰时间的限制，可以大幅度提高磁场测量时的频率范围，具有较高的动态范围。

Description

一种基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，更具体的说，涉及一种基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法。

背景技术

磁场测量广泛应用于地球与空间物理、军事技术、生物与医学、工业等领域，发挥着重要的作用，成为当代不可或缺的测量手段。现阶段用于磁场测量的传感器类型较多，主要包括磁通门传感器、探测线圈传感器、霍尔传感器、磁阻传感器、巨磁阻抗磁传感器、量子超导干涉仪(SQUID)以及基于固态自旋的磁传感器等。

近年来，基于固态自旋的量子信息处理手段快速发展，带来新的技术更新，推动了固态自旋传感器技术的发展。其具有高空间分辨率和高灵敏度，加上良好的可扩展性和容易控制等优点，固态自旋体系成为人们研究的热点。

电子具有自旋磁矩，在外磁场的作用下，电子的能级会发生分裂，一个能级将分裂为若干个磁次能级，称作塞曼分裂。电子在不同的能级之间跃迁时，须遵守跃迁选择定则，而这与两个能级的各个量子数有关。所以电子在不同的能级之间能否跃迁，要取决于电子的自旋状态。

现有的固态自旋磁传感器测量磁场采用脉冲式测磁方式：当电子自旋处于叠加态时，外界磁场会使得不同的基矢上累加相对相位。因此，首先将体系制备到叠加态，然后使其在外磁场下自由演化或用激光或微波脉冲序列控制其演化，这时体系的叠加态会积累相对相位。最后将相对相位映射到布居度上，读出信号，从而得到磁场的信息。

由于读出的信号强度随相对相位呈周期性变化，故只能在一定的相对相位范围内进行测量，而相对相位受外磁场强度以及测量时间影响，测量时间受到体系弛豫时间的限制，所以可测的外磁场强度由于体系弛豫时间的限制无法达到较大的范围，此测量方式的动态范围较低。

此外，目前基于固态自旋的脉冲式磁传感器主要有两种测量模式：DC测量模式和AC测量模式，但是DC测量模式为时域上的信号测量，受到采样率、系统信号转换响应时间等限制，其具有频率测量的上限(一般不超过100Hz)，即频率不大于100Hz，同时，由于固态自旋的性质(例如体系的弛豫时间)等原因限制，AC测量模式具有频率测量的下限(一般为kHz)，即频率范围不小于1KHz，所以两种测量模式上下限之间频率范围(100Hz-1KHz)的磁场无法直接测得。

而由于现有测量模式无法测量的频段范围的磁场在地磁场测量以及生物磁场监测方面有重要的应用，因此，如何提供一种具有较宽频率范围的磁场测量装置是磁场测量领域一个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明技术方案提供了一种基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法，具有较宽的频率测量范围。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于固态自旋的磁场测量装置，所述磁场测量装置包括：

测量件，所述测量件包括基于固态自旋的磁敏感单元；

光源模块，所述光源模块用于出射照射所述测量件的调控激光；

调控模块，所述调控模块用于为所述测量件提供调控场；

静磁场模块，所述静磁场模块用于为所述测量件提供设定的静磁场；

检测模块，所述检测模块用于获取所述测量件在待测磁场、所述调控激光、所述调控场以及所述静磁场作用下出射的荧光信号，基于所述荧光信号测量所述待测磁场。

优选的，上述磁场测量装置中，所述测量件为具有NV色心的金刚石块，所述NV色心为所述磁敏感单元。

优选的，上述磁场测量装置中，所述光源模块包括：光源以及光学单元，所述光源装置出射的光信号经过所述光学单元处理后，形成所述调控激光。

优选的，上述磁场测量装置中，所述光源为激光器，所述激光器出射激光的波长为532nm；

所述光学单元用于对所述激光器出射的激光进行准直以及聚焦处理，形成所述调控激光出射，照射到所述测量件的预设位置。

优选的，上述磁场测量装置中，所述调控模块包括：调控源以及与所述调控源连接的微带天线；

其中，所述调控源用于驱动所述微带天线形成所述调控场。

优选的，上述磁场测量装置中，所述调控源为微波源，用于使得所述微带天线形成微波场，所述微波场为所述调控场。

优选的，上述磁场测量装置中，所述静磁场模块包括：静磁场装置以及电源；

其中，所述电源用于驱动所述静磁场装置形成所述静磁场。

优选的，上述磁场测量装置中，所述静磁场装置为静磁场线圈。

优选的，上述磁场测量装置中，所述检测模块包括：信号接收转换单元以及测量单元；

在测量所述待测磁场时，所述磁敏感单元出射的荧光信号入射所述信号接收转换单元，所述信号接收转换单元用于将所述荧光信号转换为电信号；所述测量单元用于基于所述电信号测量所述待测磁场。

本发明还提供了一种基于固态自旋的磁场测量方法，用于上述任一项所述的磁场测量装置，其特征在于，所述磁场测量方法包括：

通过静磁场模块为所述测量件提供设定强度的静磁场，使得磁敏感单元发生塞曼分裂；

使得调控模块以及光源模块工作，为所述测量件提供调控场以及调控激光，对所述磁敏感单元进行连续激发操控，其中，所述调控场使得所述磁敏感单元在自旋能级之间跃迁，所述调控激光使得所述磁敏感单元在基态与激发态之间跃迁，在所述调控场与所述调控激光的共同作用下，自旋体系达到平衡态后，出射强度与体系自旋布居度相关的荧光信号；

将所述测量件置于待测磁场中，保持所述调控场、所述调控激光以及所述静磁场不变，在所述待测磁场作用下，所述磁敏感单元的塞曼分裂能级差改变，在所述调控场以及所述调控激光作用下，使得自旋体系达到另一平衡态，体系自旋布居度改变，出射荧光信号改变，改变后的荧光信号包括待测磁场的测量参数；

通过检测模块将改变后的荧光信号转换为电信号，基于所述电信号测量所述待测磁场。

通过上述描述可知，本发明技术方案提供的基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法中，磁敏感单元的电子在不同强度的外磁场作用下，电子能级之间的塞曼分裂不同，通过调控场以及调控激光对电子施加连续激发操控，可以使得体系的自旋达到平衡状态，体系自旋布居度受外磁场影响。由此，可以得到强度随体系自旋布居度变化的荧光信号，根据外磁场强度的不同，可以得到不同强度的荧光信号。本发明技术方案是在平衡态下进行测量，是一种稳态的测量，不受体系豫驰时间的限制，可以大幅度提高磁场测量时的频率范围，具有较高的动态范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于固态自旋的磁场测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所述磁场测量装置的测量带宽的曲线图；

图3为本发明实施例提供的一种磁场测量方法的流程示意图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如背景技术所述，基于固态自旋的脉冲式磁传感器两种常规测量模式中，DC测量模式为时域上的信号测量，受到采样率、系统信号转换响应时间等限制，其具有频率测量的上限(一般不超过100Hz)，同时，由于固态自旋的性质(例如体系的弛豫时间)等原因限制，AC测量模式具有频率测量的下限(一般为kHz)，所以两种测量模式上下限之间频率范围的磁场无法直接测得。由于现有测量模式无法测量的频段范围的磁场在地磁场测量以及生物磁场监测方面有重要的应用，因此，如何提供一种具有较宽频率范围的磁场测量装置是磁场测量领域一个亟待解决的问题。

发明人研究发现，基于固态自旋的磁敏感单元的电子自旋磁矩在不同强度的外磁场。通过所述调控场以及所述调控激光可以对电子施加连续激发等操控，可以使得体系的自旋达到平衡态，其布居度收到外磁场强度影响。由此可以得到强度随布居度变化的荧光信号，因此，根据外磁场强度的不同可以得到不同强度的包括磁场测量参数的荧光信号。在平衡态下对自旋体系进行测量，通过稳态测量，可以不受体系的豫驰时间的限制，大大提高频率范围。

基于上述研究，本发明实施例提供了一种磁场测量装置，所述磁场测量装置包括：

测量件，所述测量件包括基于固态自旋的磁敏感单元；

光源模块，所述光源模块用于出射照射所述测量件的调控激光；

调控模块，所述调控模块用于为所述测量件提供调控场；

静磁场模块，所述静磁场模块用于为所述测量件提供设定的静磁场；

检测模块，所述检测模块用于获取所述测量件在待测磁场、所述调控激光、所述调控场以及所述静磁场作用下出射的荧光信号，基于所述荧光信号测量所述待测磁场。

以上是本发明技术方案的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于固态自旋的磁场测量装置的结构示意图，该磁场测量装置包括：测量件4，所述测量件4包括所述测量件包括基于固态自旋的磁敏感单元；光源模块101，所述光源模块101用于出射照射所述测量件4的调控激光；调控模块102，所述调控模块102用于为所述测量件4提供调控场；静磁场模块103，所述静磁场模块103用于为所述测量件4提供设定的静磁场；检测模块104，所述检测模块104用于获取所述测量件4在待测磁场、所述调控激光、所述调控场以及所述静磁场作用下出射的荧光信号，基于所述荧光信号测量所述待测磁场。

磁敏感单元的电子在不同强度的外磁场作用下，电子能级之间的塞曼分裂不同，通过调控场以及调控激光对电子施加连续激发操控，可以使得体系的自旋达到平衡状态，体系自旋布居度受外磁场影响。由此，可以得到强度随体系自旋布居度变化的荧光信号，根据外磁场强度的不同，可以得到不同强度的荧光信号。本发明技术方案是在平衡态下进行测量，是一种稳态的测量，不受体系豫驰时间的限制，可以大幅度提高磁场测量时的频率范围，具有较高的动态范围。

可选的，所述测量件4为具有NV色心(氮-空穴缺陷)的金刚石块，所述NV色心为所述磁敏感单元。可以采用一金刚石基材，通过对所述金刚石基材进行离子注入，在真空环境下退火，在所述金刚石基材内形成NV色心。具体的，采用商用高纯度的金刚石作为基材，在设定温度下退火，会在金刚石内形成一定浓度的NV色心，用于测量磁场。NV色心有氮缺陷和邻近空穴组成，二者间距为金刚石中C-C键长，本身尺度很小，通过NV色心进行测量时，NV色心具有极高的空间分辨率以及探测灵敏度。

NV色心未成对电子组成一个自旋三重态-单态体系。其三重态的基态³E与第一激发态³A之间的能极差为1.945eV，对应零声子线是637nm。所以当用一束能量大于或等于1.945eV的激光激发NV色心时，NV色心会被激发，电子会有极大概率在基态³E与第一激发态³A之间跃迁，进而发出荧光光子，形成荧光。当电子自旋处在m_s＝±1的状态上时，电子会有较大概率经过¹A态豫驰到基态的m_s＝0态上，不会有光子发出。基于此原理，NV色心可以用于测量外磁场。

如图1所示，所述光源模块101包括：光源1以及光学单元2，所述光源装置1出射的光信号经过所述光学单元2处理后，形成所述调控激光。具体的，所述光源1为激光器，所述激光器出射激光的波长为532nm；所述光学单元2用于对所述激光器1出射的激光进行准直以及聚焦处理，形成所述调控激光出射，照射到所述测量件4的预设位置。所述光学单元包括透镜等光学元件，以便于对所述激光器1出射的激光进行准直以及聚焦处理。

如图1所示，所述调控模块102包括：调控源8以及与所述调控源8连接的微带天线3；其中，所述调控源8用于驱动所述微带天线3形成所述调控场。可以将所述测量件4固定在所述微带天线3上。具体的，所述调控源8为微波源，用于使得所述微带天线形成微波场，所述微波场为所述调控场，也就是说，所述调控场为磁场。微带天线3通过高频接线端与调控源8连接。

如图1所示，所述静磁场模块103包括：静磁场装置9以及电源10；其中，所述电源10用于驱动所述静磁场装置9形成所述静磁场。具体的，所述静磁场装置9为静磁场线圈。静磁场装置9位于测量件4的外侧，与电源10连接。

如图1所示，所述检测模块104包括：信号接收转换单元6以及测量单元7；在测量所述待测磁场时，所述磁敏感单元出射的荧光信号入射所述信号接收转换单元6，所述信号接收转换单元6用于将所述荧光信号转换为电信号；所述测量单元7用于基于所述电信号测量所述待测磁场。可选的，所述检测模块104还包括透镜5，所述透镜5未有所述测量件4与所述接收转换单元6之间，此时，所述磁敏感单元出射的荧光信号通过所述透镜5入射所述信号接收转换单元6。

可选的，信号接收转换单元6可以为光电二极管，光电二极管工作在反向电压时，其产生的光电流随外加的光强发生变化。所述测量单元7可以为锁相放大器或频谱仪，此时所述测量单元7在频域上对待测磁场进行测量。其他方式中，所述测量单元7还可以为示波器，此时，所述测量单元在时域上对待测磁场进行测量。

本申请实施例中，采用锁相放大器作为测量单元7，锁相放大器利用输入信号和参考信号的互相关检测原理，可以输出一个正比于输入信号中参考信号频率的信号幅值直流电压，而输入信号中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。

测量待测磁场时，对测量件4施加待测磁场后，磁敏感单元在调控场以及调控激光作用下，将发出包括待测磁场的测量参数的荧光信号，所述信号接收转换单元6通过所述透镜5获取该荧光信号，并将该荧光信号转换为便于所述测量单元7直接测量的电信号，以便于所述测量单元7基于所述电信号计算所述待测磁场的磁感应强度以及频率，完成对待测磁场的测量。需要说明的是，对所述待测磁场的测量包括但不局限于测量待测磁场的磁感应强度以及频率。

本发明实施例所述磁场测量装置的工作原理是，基于固态自旋的磁敏感单元的电子自旋磁矩在不同强度的外磁场。本发明实施例中，所述调控场、所述静电场以及所述待测磁场均属于外磁场。通过所述调控场以及所述调控激光可以对电子施加连续激发等操控，可以使得体系的自旋达到平衡态，其布居度收到外磁场强度影响。由此可以得到强度随布居度变化的荧光信号，因此，根据外磁场强度的不同可以得到不同强度的荧光信号。本发明技术方案是在平衡态下对自旋体系进行测量，是一种稳态测量，故不受体系的豫驰时间的限制，具有较宽的频率范围。

本发明实施例所述磁场测量装置可以解决现有的基于固态自旋的脉冲式磁传感器存在的低动态范围以及无法测量低频磁场等问题。具有如下有益效果：

高动态范围，本发明实施例所述测量装置可以采用连续波式的测量方式，对平衡态体系进行的测量，是一种稳态测量，相对于传统的脉冲式测量方式，其不受限于体系的弛豫时间，可以很大程度上提高磁场测量范围，具有较高的动态范围。

高带宽，本发明实施例所述测量装置采用连续波式的测量方式，对平衡态体系进行的测量，是一种稳态测量，其不受限于体系的弛豫时间，所以没有测量频率下限，即可以一直测量到直流信号；其测量频率上限由所施加的连续激发等调控的强度决定，通过改变调控强度，可达到较高的频率上限；故其具有很高的带宽，可以解决现有的基于固态自旋的脉冲式磁传感器无法测量低频磁场的问题。如图2所示，图2为本发明实施例所述磁场测量装置的测量带宽的曲线图，由图2可知，实验中通过改变激光强度来控制带宽的曲线，通过调控激光功率，带宽可以达到百kHz以上，并且弥补了脉冲式磁传感器无法测量低频磁场的不足。

高频率分辨率，由于得到的可测量荧光信号包含了待测磁场的全部信息，故采用具有高频率分辨率的的磁场测量装置，其可以达到很高的频率分辨率。

装置简单，不需要额外的例如脉冲发生器等硬件。

基于上述实施例所述磁场测量装置，本发明另一实施例还提供了一种基于固态自旋的磁场测量方法，用于上述实施例所述的磁场测量装置，所述磁场测量方法如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种磁场测量方法的流程示意图，所述磁场测量方法包括：

步骤S11：通过静磁场模块103为所述测量件4提供设定强度的静磁场，使得磁敏感单元发生塞曼分裂。

步骤S12：使得调控模块102以及光源模块101工作，为所述测量件4提供调控场以及调控激光，对所述磁敏感单元进行连续激发操控。

其中，所述调控场使得所述磁敏感单元在自旋能级之间跃迁，所述调控激光使得所述磁敏感单元在基态与激发态之间跃迁，在所述调控场与所述调控激光的共同作用下，自旋体系达到平衡态后，出射强度与体系自旋布居度相关的荧光信号。

调控激光为波长532nm激光。施加的调控场为微波场，使得NV色心的电子自旋在m_s＝0态与m_s＝±1态之间跃迁。施加的调控激光使得NV色心的电子在基态和激发态之间跃迁。在调控激光和调控场的共同作用下，自旋体系达到平态，分束强度与体系自旋布居度相关的荧光信号。

步骤S13：将所述测量件4置于待测磁场中，保持所述调控场、所述调控激光以及所述静磁场不变，在另一个平衡态下，使得磁敏感单元出射荧光信号。

在所述待测磁场作用下，所述磁敏感单元的塞曼分裂能级差改变，在所述调控场以及所述调控激光作用下，使得自旋体系达到另一平衡态，体系自旋布居度改变，出射荧光信号改变，改变后的荧光信号包括待测磁场的测量参数。所述测量参数包括待测磁场的磁感应强度以及频率。

步骤S14：通过检测模块104将改变后的荧光信号转换为电信号，基于所述电信号测量所述待测磁场。

信号接收转换单元6通过透镜5获取上述包括待测磁场的测量参数的荧光信号，并将其转换为测量单元7易于直接测量的电信号，将该电信号传递至所述测量单元7。测量单元7获取接收转换单元6传递来的电信号，通过数据处理，计算所述待测磁场的磁场强度以及频率等信息，实现对待测磁场的测量。根据需求可以设置在所述测量装置7为示波器，通过所述示波器选择在时域上对待测磁场进行测量，或设置所述测量装置为锁相放大器或频谱仪，通过所述锁相放大器以及频谱仪在频域上对待测磁场进行测量。

本发明实施例采用锁相放大器作为测量装置7，通过扫描锁相放大器的调制频率，可以得到频谱，从而在频域上对电信号进行测量，分析频谱既可以得到待测磁场的频率以及磁感应强度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的磁场测量方法而言，由于其与实施例公开的磁场测量装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见磁场测量装置相对应部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于固态自旋的磁场测量装置，其特征在于，所述磁场测量装置包括：

测量件，所述测量件包括基于固态自旋的磁敏感单元；

光源模块，所述光源模块用于出射照射所述测量件的调控激光；

调控模块，所述调控模块用于为所述测量件提供调控场；

静磁场模块，所述静磁场模块用于为所述测量件提供设定的静磁场；

检测模块，所述检测模块用于获取所述测量件在待测磁场、所述调控激光、所述调控场以及所述静磁场作用下出射的荧光信号，基于所述荧光信号测量所述待测磁场。

2.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，所述测量件为具有NV色心的金刚石块，所述NV色心为所述磁敏感单元。

3.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，所述光源模块包括：光源以及光学单元，所述光源装置出射的光信号经过所述光学单元处理后，形成所述调控激光。

4.根据权利要求3所述的磁场测量装置，其特征在于，所述光源为激光器，所述激光器出射激光的波长为532nm；

所述光学单元用于对所述激光器出射的激光进行准直以及聚焦处理，形成所述调控激光出射，照射到所述测量件的预设位置。

5.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，所述调控模块包括：调控源以及与所述调控源连接的微带天线；

其中，所述调控源用于驱动所述微带天线形成所述调控场。

6.根据权利要求5所述的磁场测量装置，其特征在于，所述调控源为微波源，用于使得所述微带天线形成微波场，所述微波场为所述调控场。

7.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，所述静磁场模块包括：静磁场装置以及电源；

其中，所述电源用于驱动所述静磁场装置形成所述静磁场。

8.根据权利要求7所述的磁场测量装置，其特征在于，所述静磁场装置为静磁场线圈。

9.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，所述检测模块包括：信号接收转换单元以及测量单元；

在测量所述待测磁场时，所述磁敏感单元出射的荧光信号入射所述信号接收转换单元，所述信号接收转换单元用于将所述荧光信号转换为电信号；所述测量单元用于基于所述电信号测量所述待测磁场。

10.一种基于固态自旋的磁场测量方法，用于如权利要求1-10任一项所述的磁场测量装置，其特征在于，所述磁场测量方法包括：

通过静磁场模块为所述测量件提供设定强度的静磁场，使得磁敏感单元发生塞曼分裂；

使得调控模块以及光源模块工作，为所述测量件提供调控场以及调控激光，对所述磁敏感单元进行连续激发操控，其中，所述调控场使得所述磁敏感单元在自旋能级之间跃迁，所述调控激光使得所述磁敏感单元在基态与激发态之间跃迁，在所述调控场与所述调控激光的共同作用下，自旋体系达到平衡态后，出射强度与体系自旋布居度相关的荧光信号；

将所述测量件置于待测磁场中，保持所述调控场、所述调控激光以及所述静磁场不变，在所述待测磁场作用下，所述磁敏感单元的塞曼分裂能级差改变，在所述调控场以及所述调控激光作用下，使得自旋体系达到另一平衡态，体系自旋布居度改变，出射荧光信号改变，改变后的荧光信号包括待测磁场的测量参数；

通过检测模块将改变后的荧光信号转换为电信号，基于所述电信号测量所述待测磁场。