CN109061295A - 一种近场微波谐振器谐振频率测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种近场微波谐振器谐振频率测量系统及方法，利用电子自旋共振和金刚石氮‑空位缺陷(NV^‑色心)拉比振荡频率与微波强度相关的性质，将金刚石置于静磁场中，改变微波脉冲频率和磁场强度进行光探测磁共振和拉比振荡测量，得到一系列拉比振荡频率，从中提取谐振器谐振频率。测量系统包括光学模块、微波模块、磁场装置、金刚石和控制装置，其中，金刚石内嵌NV^‑色心；光学模块可以产生并导引光照射到金刚石上，同时探测金刚石发出的荧光信号；微波模块可以产生微波操控场并将其加载到金刚石上；磁场装置可以产生静磁场。本发明能实用、准确地测量微波谐振器的谐振频率和有效磁场强度，精度高，且能够在近场条件下使用。

Description

一种近场微波谐振器谐振频率测量系统及方法

技术领域

本发明涉及量子传感器的技术领域，具体涉及一种基于金刚石NV^-色心的近场微波谐振器谐振频率测量系统及方法，在各个领域特别是医疗检测、化学检测和磁检测领域中对与电子自旋共振(ESR)相关的应用有重要的意义和价值。

背景技术

共振现象广泛应用于众多学科领域，尤其是高实用性、高效率和高精度传感器研究领域。同时，基于量子效应的电子自旋共振(ESR)更加显著地提高了各领域的测量灵敏度。应用ESR来进行测量需要使用微波谐振器产生的微波对电子的自旋状态进行操纵，这一操纵高度依赖微波谐振器谐振频率的精度。然而，微波谐振器的谐振频率特别容易受到测量系统中具有不同介电常数的基底材料还有通常都装在谐振器近场的自旋材料和磁性元件的影响。目前，尽管研究者已经对微波谐振器测试做了大量的研究工作，但是考虑到测量的重复性和人为误差，在ESR系统中通过频率调谐对微波谐振器进行近场测量效率低下。因此，在近场的ESR应用中急需一个精确而可靠的微波谐振器谐振频率测量方法。

近年来，在磁传感器和量子信息领域中，金刚石中带负电荷的氮-空位中心(NV^-)受到了广泛的关注。NV^-色心是金刚石中的一个点缺陷，它由一个替代了碳原子的氮原子和位于其相邻位置的空位再捕获一个带负电荷的电子形成的。NV^-色心具有一个自旋的基态三重态，可以被532纳米激光极化，并且通过探测其由激光照射而发出的荧光可以分析NV^-色心周围的磁场。由于零场劈裂，NV^-色心的自旋态可以被大约2.87GHz的微波操纵。目前，为操纵NV^-色心自旋态研究者们提出过各种微波谐振器设计方案，如圆偏振微波和大面积场等。然而，微波谐振器与自旋体系之间的相互作用还很少被关注，在这种近场情况下，谐振器产生的微波场会产生变化。不过这种变化能够被金刚石NV^-色心所感知，从而能够精确测量近场条件下微波谐振器的谐振频率，这对与ESR相关的测量领域有重要意义。

针对近场微波谐振器谐振频率测量，目前国内外尚无系统的测量方法，而现有成熟的谐振器谐振频率测量方法比如使用矢量网络分析仪，测量系统复杂，需要外部设备，不能在保持本领域近场装置完整性和与工作条件一致性的同时进行测量。如单独测量谐振器的谐振频率，则与谐振器实际工作时的谐振频率有偏差。本发明给出的测量方法，则可以对谐振器谐振频率进行在线实时测量，结果准确，测量条件与本领域近场工作条件一致。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种近场微波谐振器谐振频率测量系统与方法，能够实用、准确地测量微波谐振器的谐振频率和有效磁场强度，精度高，且能够在近场条件下使用。

本发明技术解决方案：一种近场微波谐振器谐振频率测量系统，包括：

近场微波谐振器谐振频率测量系统，包括光学模块、微波模块、磁场装置、金刚石和控制模块，其中，

金刚石内嵌NV^-色心；

光学模块产生并导引光照射到所述的金刚石上，同时探测其发出的荧光信号；

微波模块产生微波操控场并将微波操控场加载到金刚石上；

磁场装置在放置金刚石的空间产生静磁场；

控制模块控制整个硬件及软件系统。

控制模块控制微波模块的工作参数，输出多通道脉冲序列控制光学模块和微波模块的工作时序，并处理光学模块探测到的荧光信号强度，得到谐振器谐振频率和微波磁场的幅值。

光学模块包括激光器、激光开关、光学滤波片、光束汇聚器和光强探测器，激发光依次通过激光器、激光开关、光束汇聚器照射到金刚石上，荧光信号从金刚石返回，依次通过光束汇聚器、光学滤波片后由光强探测器收集。

激光开关与控制系统连接，根据控制系统输出的脉冲序列控制激发光路的通断，光强探测器与控制系统连接，根据控制系统输出的脉冲序列探测特定时段的荧光强度。

微波模块包括微波发生器、微波开关、微波放大器、微带线、微波谐振器，微波发生器发出的微波依次通过微波开关、微波放大器和微带线耦合到待测的微波谐振器上，产生微波操控场，微波开关与控制系统连接，根据控制系统输出的脉冲序列控制微波传输的通断。

金刚石放置于微波谐振器的中央，使微波谐振器产生的微波操控场施加到金刚石上，光束汇聚器和金刚石距离微波谐振器较近，对微波谐振器谐振频率的影响不可忽略。

磁场装置包围金刚石和微波谐振器，在金刚石所处空间产生场强大小和方向可调的均匀静磁场。

本发明的近场微波谐振器谐振频率测量方法，包括：

一种利用所述的测量系统近场微波谐振器谐振频率测量方法，包括：

首先磁场装置产生沿某一固定方向，可以是金刚石[1,1,1]晶向，且磁场强度大小在一定范围内，可以是几高斯到几十高斯的静磁场使金刚石NV^-色心基态能级分裂，微波模块在分裂的NV^-色心能级对应的能量范围内扫描所输出的微波脉冲频率，光学模块探测每一微波脉冲频率对应的荧光强度；然后固定微波脉冲频率在荧光强度最低时所对应的频率，逐步延长微波脉冲时间，光学模块再次探测每一脉冲时间对应的荧光强度，控制模块得到荧光强度随微波脉冲时间的振荡频率；最后磁场装置扫描所施加的静磁场强度大小，在每一静磁场强度大小下重复上述过程，控制模块得到一系列振荡频率，并从中提取谐振器谐振频率，同时得到微波磁场的幅值。

微波模块在扫描微波脉冲频率时，所输出的微波脉冲时间可以取荧光强度随微波脉冲时间振荡时半个振荡周期的长度。施加微波操控场之前，需要先令激光照射金刚石使金刚石NV^-色心极化，可选地，探测荧光信号后，再测量一个未加微波操控场的荧光参考信号。

磁场装置的磁场强度扫描范围，使对应荧光强度最低点所在的微波脉冲频率范围包含谐振器谐振频率可能处于的区间。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用电子自旋共振以及金刚石NV色心拉比振荡频率与微波强度相关的性质，能够实用、准确地测量微波谐振器的谐振频率和有效磁场强度，精度高，且能够在近场条件下使用。

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测量系统结构示意图；

图2为本发明的一个实施例提供的一种被测微波谐振器结构示意图；

图3为本发明的一个实施例提供的一种测量方法示意性流程图；

附图标记列示如下：101-半导体激光器，102-声光调制器(AOM)，103-二向色镜，104-物镜，105-高通滤波片，106-雪崩光电二极管(APD)，107-微波发生器，108-微波开关，109-微波放大器，110-方形开缝微波谐振器，111-三维亥姆霍兹线圈，112-多通道脉冲发生器，113-内嵌NV色心金刚石。

具体实施方式

为使本发明实施例的技术方案以及优点表达的更清楚，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。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为发明的一个实施例提供的一种测量系统结构示意图，其中，光学系统可以包括半导体激光器101、声光调制器102、二向色镜103、物镜104、高通滤波片105、雪崩光电二极管106；微波系统可以包括：微波发生器107、微波开关108、微波放大器109、方形开缝微波谐振器110；磁场装置可以使用三维亥姆霍兹线圈111；控制系统可以使用多通道脉冲发生器112；内嵌NV色心金刚石113可以使用一种包含NV色心的Ib型金刚石，具体地，这种单晶体金刚石是3×3×0.3mm³的薄片。

所搭建的光学系统可以组成广域共聚焦荧光系统，半导体激光器101发出的532nm激光，经过声光调制器102调制后被二向色镜103反射，由物镜104聚焦到内嵌NV色心金刚石113上。内嵌NV色心金刚石113被激光激发并发出波长约637nm的荧光，荧光由物镜104再度收集并沿原始光路返回，通过二向色镜103后，由雪崩光电二极管(APD)106检测其强度。进一步地，高通滤波片105在这里可以滤除光路中的杂散光，保留信号光。

所搭建的微波系统可以使用微波发生器107产生指定频率的微波，由微波开关108控制其通断，再通过微波放大器109将其功率放大，最后用谐振器110将微波施加到内嵌NV色心金刚石113上。具体地，内嵌NV色心金刚石113置于方形开缝微波谐振器110中央，并与物镜104的距离只有0.17mm，同时处于三维亥姆霍兹线圈111产生的均匀磁场中，可以通过改变三维亥姆霍兹线圈111各方向的电流改变对内嵌NV色心金刚石113所施加的磁场强度和方向。

进一步地，声光调制器102、微波开关108、雪崩光电二极管106的工作状态可以由多通道脉冲发生器112控制。

可选地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，被测对象，即用于将微波施加到金刚石上的谐振器可以是一种窄带方形开缝微波谐振器。这种方形开缝微波谐振器由内外两个开口的方形金属环组成，外环201开口向左，内环202开口向右，外环紧邻一微带线203。具体地，谐振器可以采用高介电常数的衬底材料，同时其尺寸与金刚石芯片保持一致。在本发明的其他实施例中，被测的谐振器可以是圆环形等其他形状，其层数也不局限于内外两层。

图3为发明的一个实施例提供的一种测量方法示意性流程图，包括：

301：设定磁场初始值。具体地，这个磁场初始值应当保证谐振器谐振频率在磁场变化导致的金刚石NV^-色心基态能级差变化范围之内。磁场强度为零时，金刚石NV^-色心基态±1态与0态的能级差为2.87Ghz,当平行于NV^-对称轴磁场强度为B₀时，±1态的能级频移为Δf＝±γB′₀,其中γ＝2.8MHz/G。

302：扫描设置的输入微波频率，得到光探测磁共振谱(ODMR)。其中，荧光强度最低点所在的频率就是金刚石NV^-色心基态的能级差。

303：将微波固定在这个频率，改变微波脉冲长度进行拉比振荡测试。可以得到输入微波在此频率下的拉比振荡频率，拉比振荡频率Ω与此时的谐振器施加到金刚石上的微波强度成正比：其中B₁为垂直于NV^-对称轴的磁场强度，此磁场来源于谐振器产生的微波磁场，可以表示微波强度。

304：改变磁场装置产生的静磁场强度，重复步骤302、303，直至所扫描的磁场强度覆盖谐振器可能的谐振频率的范围。

305：拟合数据。可以得到拉比频率与所施加磁场强度的关系其中a、b、c为参数，b代表拉比频率最大时所施加的磁场强度，此时对应的步骤302给出的ODMR中荧光强度最低点所对应的微波频率即为谐振器谐振频率，同时还可给有效的微波磁场。

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。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种近场微波谐振器谐振频率测量系统，其特征在于包括：光学模块、微波模块、磁场装置、金刚石和控制模块，其中，

所述的金刚石内嵌NV^-色心；

所述的光学模块产生并导引光照射到所述的金刚石上，同时探测其发出的荧光信号；

所述的微波模块产生微波操控场并将微波操控场加载到所述的金刚石上；

所述的磁场装置在放置所述的金刚石的空间产生静磁场；

所述的控制模块，控制所述的微波模块的工作参数，输出多通道脉冲序列控制所述的光学模块和微波模块的工作时序，并处理光学模块探测到的荧光信号强度，得到谐振器谐振频率和微波磁场的幅值。

2.根据权利要求1所述的近场微波谐振器谐振频率测量系统，其特征在于：所述光学模块包括激光器、激光开关、光学滤波片、光束汇聚器和光强探测器；激发光依次通过激光器、激光开关、光束汇聚器照射到所述的金刚石上，荧光信号从金刚石返回，依次通过光束汇聚器、光学滤波片后由光强探测器收集。

3.根据权利要求2所述的近场微波谐振器谐振频率测量系统，其特征在于：所述激光开关与所述的控制系统连接，根据控制系统输出的脉冲序列控制激发光路的通断，所述光强探测器与所述的控制系统连接，根据控制系统输出的脉冲序列探测特定时段的荧光强度。

4.根据权利要求1所述的近场微波谐振器谐振频率测量系统，其特征在于：所述微波模块包括：微波发生器、微波开关、微波放大器、微带线和微波谐振器；微波发生器发出的微波依次通过微波开关、微波放大器和微带线耦合到待测的微波谐振器上，产生微波操控场，微波开关与所述的控制系统连接，根据控制系统输出的脉冲序列控制微波传输的通断。

5.根据权利要求4所述的近场微波谐振器谐振频率测量系统，其特征在于：所述金刚石放置于所述微波谐振器的中央，使微波谐振器产生的微波操控场施加到金刚石上，所述光束汇聚器和金刚石处于微波谐振器产生的微波操控场之中，属于近场范围，对微波谐振器谐振频率的影响不可忽略。

6.根据权利要求1所述的近场微波谐振器谐振频率测量系统，其特征在于，所述磁场装置包围所述的金刚石和微波谐振器，并在金刚石所处的空间产生磁场强度大小和三维方向可调的均匀静磁场。

7.一种利用权利要求1所述的测量系统近场微波谐振器谐振频率测量方法，其特征在于，包括：

首先磁场装置产生沿某一固定方向，且磁场强度大小在一定范围内，使金刚石NV^-色心基态能级分裂，微波模块在分裂的NV^-色心能级对应的能量范围内扫描所输出的微波脉冲频率，光学模块探测每一微波脉冲频率对应的荧光强度；然后固定微波脉冲频率在荧光强度最低时所对应的频率，逐步延长微波脉冲时间，光学模块再次探测每一脉冲时间对应的荧光强度，控制模块得到荧光强度随微波脉冲时间的振荡频率；最后磁场装置扫描所施加的静磁场强度大小，在每一静磁场强度大小下重复上述过程，控制模块得到一系列振荡频率，并从中提取谐振器谐振频率，同时得到微波磁场的幅值。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：所述微波模块在扫描微波脉冲频率时，所输出的微波脉冲时间取荧光强度随微波脉冲时间振荡时半个振荡周期的长度，施加微波操控场之前，需要先令激光照射所述的金刚石使金刚石NV^-色心极化，探测荧光信号后，再测量一个未加微波操控场的荧光参考信号。

9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：所述磁场装置的磁场强度扫描范围，使对应荧光强度最低点所在的微波脉冲频率范围包含待测的谐振器谐振频率可能处于的区间。