CN109143121A - 一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法，包括激光脉冲发生装置、微波信号发生装置、脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置和计算机；所述脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置分别与计算机电连接；所述激光脉冲发生装置、微波信号发生装置分别与脉冲信号发生器电连接；所述激光脉冲发生装置用于产生激光脉冲信号；所述微波信号发生装置用于产生调制信号和高频微波信号；所述脉冲信号发生器用于产生TTL信号对激光脉冲发生装置和微波信号发生装置进行控制；所述荧光探测装置用于对金刚石产生的荧光进行分析；所述扫描装置用于对待测器件进行扫描。

Description

一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法

技术领域

本发明属于磁场测量技术领域，具体是一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法。

背景技术

研究和发展高灵敏度，高分辨率的磁场成像技术，从直流到微波的频率范围一直处于研究的前沿。磁共振成像，单电子和核自旋的感应，超导体涡旋成像，以及磁性薄膜中的拓扑结构成像等技术已经得到发展与应用。宏观上，现已商业化的碱蒸气原子磁力计可以实现超高灵敏度和精度的地磁测量，灵敏度可以达到sub-pT/√Hz。人类神经活动的磁信号是毫微微特斯拉级的弱信号，在磁共振成像中，超导量子干涉仪主要用于检测这种弱场强，在不久的将来该技术方法或会被碱蒸汽原子磁力计取代。然而，在相关应用中，对磁场分布的空间分辨率要求越来越高，一般设计将磁传感器放置在微小磁结构中。随着金刚石量子传感器的发展，分子或细胞水平的核磁共振有望实现。

NV色心由一个替位的氮原子和一个邻位的空穴组成，是金刚石中一种发光点缺陷。NV色心在激光泵浦下发出强烈而稳定的荧光。在室温下，NV色心具有两种可能的电荷态，即中性NV⁰或带负电的NV^-。两种NV色心的荧光光谱是不同的，通过选择合适的滤光片，可以容易地区分它们。NV色心的结构具有C_3v对称性，其两个不成对电子态在基态(³A₂)和激发态(³E)是自旋三重态(S＝1)，其自旋能级有m_s＝0，±1。基态与激发态之间有1.945eV的能量间隔，对应NV色心的零声子线(ZPL)跃迁。

由光学激发造成的电子自旋极化，其解释如下：电子从基态跃迁到激发态，激发态中电子通过自发辐射返回到基态相对应的电子态，并发出荧光。在这个过程中，激发态m_s＝0发生辐射跃迁，回到m_s＝0态。但由于中间态(亚稳态(¹A))的存在，m_s＝±1态的部分电子发生自旋翻转，只有部分电子通过辐射跃迁回到了基态的m_s＝±1态，而另一部分则通过中间态无辐射跃迁回了m_s＝0态。在不断重复的光学激发下，基态自旋三重态最终被极化为m_s＝0态，m_s＝±1态的荧光强度比m_s＝0态的荧光强度小约30％。

由于自旋相互作用，在室温下NV色心的基态在m_s＝0和m_s＝±1态之间具有2.87GHz的零场分裂。当施加外部磁场时，通过塞曼效应提升m_s＝±1自旋态的简并性。通过调整外部磁场和四个晶体NV轴的相对取向，可以通过光学检测磁共振(ODMR)技术观察到基态中的总共八个微波偶极跃迁。m_s＝0态和m_s＝+1态或m_s＝-1态之间的跃迁是磁偶极子跃迁，构成了一个量子二能级体系，共振微波磁场在布洛赫球面上驱动闭环Rabi循环。

在典型Rabi序列中，由相互交错的激光和微波脉冲组成，激光脉冲极化并检测基态自旋态，微波脉冲驱动自旋子能级之间的Rabi循环，因此荧光信号是脉冲信号，谐振微波驱动导致荧光信号水平降低。当对微波磁场进行脉冲调制时，观察到以荧光载波频率为中心的边带信号，其频移与调制频率相同。相对激发激光的强度波动，边带频率的解调显着提高了系统的信噪比(SNR)。注意到这种脉冲调制技术是传统CW锁相技术的补充，其中荧光是DC值，频谱分析仪测量调制频率处的信号幅度。实际上，CW双共振技术不适用于微波场测量，其中激光偏振和微波去极化同时存在，因此调制深度不再是评估场强有意义的物理量，而是取决于激光强度。

近年来的研究中，采用内嵌NV色心的金刚石作为传感器在量子测量领域引起了研究人员的关注，内含NV色心的金刚石可在室温下工作，不需要温度控制装置，该传感器的高空间分辨率及信号强度也一直是研究人员需要平衡的问题。同时，内含NV色心的金刚石的探头的制作也是研究人员不断研究的问题，传统的探针使用磁尖来固定金刚石颗粒，磁尖的使用会对原有微波场的测量造成一定程度的干扰；将金刚石颗粒注入空芯光纤可以有效提高荧光信号的收集效率，而此装置并不能作为探针实现对微波场的扫描探测，并且空间分辨率不高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法；本发明通过利用微波场调制技术，显著提高了系统的信噪比，并通过含有金刚石NV色心的锥形光纤探头来对微波场进行无损探测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统，包括激光脉冲发生装置、微波信号发生装置、脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置和计算机；所述脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置分别与计算机电连接；所述激光脉冲发生装置、微波信号发生装置分别与脉冲信号发生器电连接；所述激光脉冲发生装置包括激光发生器和声光调制器，用于产生激光脉冲信号；所述微波信号发生装置包括微波源和微波开关，所述微波源用于产生调制信号和高频微波信号；所述扫描装置包括含有金刚石NV色心的锥形光纤探头、待测器件、可调磁铁、位移平台和位移平台控制箱，用于对微波场进行探测，所述可调磁铁用于施加磁场；所述荧光探测装置包括雪崩光电二极管和频谱分析仪。

具体地，所述锥形光纤探头的尖端尺寸与所述NV色心金刚石的尺寸相匹配；所述锥形光纤探头的尖端直径在亚微米到毫米范围内可调，取决于场分布测试所需的分辨率；所述NV色心金刚石通过低荧光紫外胶或低熔点熔融玻璃粉固定在所述锥形光纤探头的尖端。

具体地，所述位移平台为二维电操控位移平台，所述位移平台上固定有待测器件。

一种基于脉冲调制的微波场定量测试方法，包括：

通过计算机控制脉冲信号发生器产生两路TTL同步脉冲信号，分别用于控制声光调制器和微波开关的通断；

微波源产生的高频微波信号经脉冲调制信号调制后，与激光脉冲发生装置产生的激光脉冲信号同时施加在含有NV色心金刚石的锥形光纤探头上；

所述NV色心金刚石在脉冲调制信号与激光脉冲信号的共振作用下产生边带荧光脉冲信号，荧光探测装置探测到的脉冲荧光主峰旁会出现一个边带信号，所述边带信号的频移与脉冲调制信号的调制频率相同；

通过微波开关改变脉冲微波的脉宽时间，再通过ODMR技术，可以测出8个中心对称相互独立的共振峰，得到微波场的共振频率点，再通过对每一个共振频率点执行Rabi频率测量试验，即可获得所述边带信号的拉比振荡频率，再通过所述拉比振荡频率计算得到微波场强度。

具体地，所述测试方法还包括微波场调制方法，所述调制方法包括幅度调制或频率调制；所述脉冲调制信号由系统外部或信号源内部的调制模块提供，在传统脉冲光探测磁共振测试的基础上，对微波信号进一步调制。

具体地，所述测试方法还包括：通过设定脉宽时间远小于一个拉比振荡周期的微波脉冲，使得所述边带信号与荧光主频信号的比值和微波场大小成正比；在所述荧光主频信号固定的情况下，通过测量固定微波脉宽下的边带信号获得微波场的分布图像。

一种含有NV色心金刚石的锥形光纤探头的制备方法，包括以下步骤：

S1，将载有金刚石颗粒的载玻片水平固定在三维位移平台上，再将锥形光纤探头竖直固定在所述载玻片的正上方，使得锥形光纤探头的B端面正对着金刚石颗粒；将显微镜固定在金刚石与锥形光纤探头B端面的侧面，并通过调节三维位移平台对金刚石颗粒和锥形光纤探头进行精准对位；

S2，在所述锥形光纤探头的B端面涂抹少量紫外胶，通过调节三维位移平台来控制所述B端面与载玻片上金刚石颗粒之间的距离；

S3，将532nm激光由锥形光纤探头的A端面耦合入光纤，不断调节三维位移平台，使B端面不断接近载玻片而不接触，载玻片上的金刚石颗粒被激光激发后产生荧光，所述荧光反射回锥形光纤探头，再由荧光探测装置读取荧光信号并确定荧光信号的强度；

S4，通过调节三维位移平台，当荧光信号的强度最大时，使B端面接触载玻片，再离开载玻片，确定金刚石颗粒粘在B端面；

S5，若一次粘取金刚石颗粒未成功，用酒精清洁B端面，再重复步骤S2至S4；

S6，将粘有金刚石颗粒的锥形光纤探头悬空于紫外灯上方，等待30分钟左右，紫外胶完全固化，金刚石颗粒将稳固在锥形光纤探头的B端面。

具体地，所述金刚石颗粒内部含有NV色心。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明采用脉冲调制的方式对微波场进行定量测试，相比于传统的连续波锁相技术，可以极大地提高系统的信噪比，将微弱的待测信号从噪声中提取出来，实现对微弱微波场的强度的测量及其场分布成像；(2)本发明的测试系统将含有NV色心的金刚石颗粒固定在锥形光纤探头的端面上，通过激光耦合进入光纤来测试微波场，锥形光纤的设计大大提高了荧光信号的收集效率，同时探头体积非常小，能够实现芯片级的高空间分辨率的磁场测量；(3)本发明可根据实际应用需求，改变锥形光纤的长度，突破测试设备与待测器件之间的距离限制；且锥形光纤探头的尖端直径在亚微米到毫米范围内可调，可根据实际场分布测试所需的分辨率来调节尖端直径，应用范围更广。

附图说明

图1为本发明一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统的结构示意框图；

图2为本发明中激光脉冲、微波脉冲和调制脉冲信号时序图；

图3为本发明系统中含NV色心金刚石的锥形光纤探头结构示意图；

图4为实施例2中测量得到的ODMR图谱示意图；

图5为实施例2中测量得到的Rabi图谱示意图；

图6为实施例2中测量得到的待测器件的仿真场(上)和扫描场(下)示意图；

图7为实施例2中测量得到的待测器件的仿真场(实线)和扫描场(圆圈)示意图；

图中：1、激光发生器；2、声光调制器；3、微波源；4、微波开关；5、脉冲信号发生器；6、雪崩光电二极管；7、频谱分析仪；8、锥形光纤探头；9、待测器件；10、可调磁铁；11、位移平台；12、位移平台控制箱；13、计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统，包括激光脉冲发生装置、微波信号发生装置、脉冲信号发生器5、荧光探测装置、扫描装置和计算机13；所述脉冲信号发生器5、荧光探测装置、扫描装置分别与计算机13电连接；所述激光脉冲发生装置、微波信号发生装置分别与脉冲信号发生器5电连接；所述激光脉冲发生装置包括激光发生器1和声光调制器2(AOM)，用于产生激光脉冲信号；所述微波信号发生装置包括微波源3和微波开关4，所述微波源3用于产生调制信号和高频微波信号；所述扫描装置包括含有金刚石NV色心的锥形光纤探头8、待测器件9、可调磁铁10、位移平台11和位移平台控制箱12，用于对微波场进行探测，所述可调磁铁10用于施加磁场；所述荧光探测装置包括雪崩光电二极管6和频谱分析仪7。

具体地，所述锥形光纤探头8的尖端尺寸与所述NV色心金刚石的尺寸相匹配；所述锥形光纤探头8的尖端直径在亚微米到毫米范围内可调，取决于场分布测试所需的分辨率；所述NV色心金刚石通过低荧光紫外胶或低熔点熔融玻璃粉固定在所述锥形光纤探头8的尖端。

进一步地，所述金刚石颗粒大小10um，锥形光纤端面直径为15-20um。

具体地，所述位移平台11为二维电操控位移平台11，所述位移平台11上固定有待测器件；所述位移平台11由位移平台控制箱12控制其对待测器件9进行移动扫描

所述显微镜为千倍显微镜。

实施例2

如图2所示，本实施例提供了一种基于脉冲调制的微波场定量测试方法，由计算机13控制脉冲信号发生器5产生两路TTL同步脉冲信号，分别作用于AOM和微波开关4，激光发生器1产生波长为532nm的激光，AOM由第一路TTL信号控制激光的通断，产生衍射光斑，筛选出一级衍射光斑，进行透射；脉冲调制信号调制高频微波信号，由微波源3输出已调微波信号，微波开关4由第二路TTL信号控制其通断，产生被调制的微波脉冲信号；该被调制的微波脉冲信号与激光脉冲信号同时施加在NV色心金刚石的探头上，荧光探测装置探测到的脉冲荧光主峰旁会出现一个边带信号，所述边带信号的频移与脉冲调制信号的调制频率相同。

具体地，通过计算机13调控脉冲信号发生器5的SDK，产生两路TTL信号，通过第一路TTL信号，设置激光脉冲的脉宽为500ns，占空比为50％；通过第二路TTL信号，设置微波开关4的脉冲周期与激光脉冲周期相同，在激光脉冲低电平的间隔内设置微波脉宽为50ns；通过调控微波源3的SDK，设置微波信号的调制方式为脉冲调制，产生kHz级频率大小的调制信号，设置扫描微波信号中心频率为2.87GHz，扫描范围是550MHz；脉冲调制信号调制高频微波信号，经微波开关4产生被调制的微波脉冲信号，该微波脉冲信号通过施加于待测器件作用于金刚石NV色心探头。

具体地，通过不断调整可调磁铁10的位置和方向，设定脉宽时间远小于一个拉比振荡周期的微波脉冲，如图4所示，执行ODMR试验得到金刚石NV色心的ODMR谱的8个相互独立的共振波峰；再通过对每一个共振频率点执行Rabi频率测量试验，获得边带信号的拉比振荡频率，由所得频率可计算出微波场强度；对测得Rabi振荡衰减数据(如图5所示)，按照以下函数关系进行拟合：

I＝I₀-i₀sin(2πγBt)exp(-t/τ)

根据拟合函数结果计算出微波场的绝对磁场强度B的大小；

具体地，微波场成像的实现步骤为：设定微波脉宽远小于一个拉比振荡周期，在待测器件的表面做二维扫描，因为所得边带信号和场强成正比，所以得到的边带信号的二维分布就是微波场强的二维分布。

在荧光主频信号固定的情况下，边带信号和荧光主频信号的比值和微波场大小成正比，通过测量固定微波脉宽下的边带信号即可快速获得微波场的分布图像。在金刚石NV色心探头可探测范围内，利用计算机13操控位移平台11，控制待测器件的的移动范围，在待测器件通带范围内，选定某一个共振频率点执行待测器件场扫描试验，得到待测器件表面近场分布图像。

具体地，本实施例中待测器件采用铜螺线管天线，螺旋匝数为25匝，长33毫米，直径约5毫米，其微波场共振频率点为2857MHz，可调磁铁10为圆柱形永久磁铁，用于对金刚石施加静态磁场。

如图6、7所示，为了验证试验结构的正确性，可以对待测器件的微波场进行HFSS仿真，对比仿真与试验结果的一致性，利用该方法可以提供关于芯片、天线或波导结构上的微波电流分布的信息，而对磁场本身不会产生破坏，对于器件的表征具有重要意义。

实施例3

本实施例提供了一种含有NV色心金刚石的锥形光纤探头8的制备方法，包括以下步骤：

S1，将载有金刚石颗粒的载玻片水平固定在三维位移平台上，再将锥形光纤探头8竖直固定在所述载玻片的正上方，使得锥形光纤探头8的B端面正对着金刚石颗粒；将显微镜固定在金刚石与锥形光纤探头8的B端面的侧面，并通过调节三维位移平台对金刚石颗粒和锥形光纤探头8进行精准对位；

S2，在所述锥形光纤探头8的B端面涂抹少量紫外胶，通过调节三维位移平台来控制所述B端面与载玻片上金刚石颗粒之间的距离；

S3，将532nm激光由锥形光纤探头8的A端面耦合入光纤，不断调节三维位移平台，使B端面不断接近载玻片而不接触，载玻片上的金刚石颗粒被激光激发后产生荧光，所述荧光反射回锥形光纤探头8，再由荧光探测装置读取荧光信号并确定荧光信号的强度；

S4，通过调节三维位移平台，当荧光信号的强度最大时，使B端面接触载玻片，再离开载玻片，确定金刚石颗粒粘在B端面；

S5，若一次粘取金刚石颗粒未成功，用酒精清洁B端面，再重复步骤S2至S4；

S6，将粘有金刚石颗粒的锥形光纤探头8悬空于紫外灯上方，等待30分钟左右，紫外胶完全固化，金刚石颗粒将稳固在锥形光纤探头8的B端面(如图3所示)。

具体地，所述金刚石颗粒内部含有NV色心。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统，其特征在于，包括激光脉冲发生装置、微波信号发生装置、脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置和计算机；所述脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置分别与计算机电连接；所述激光脉冲发生装置、微波信号发生装置分别与脉冲信号发生器电连接；所述激光脉冲发生装置包括激光发生器和声光调制器；所述微波信号发生装置包括微波源和微波开关，所述微波源用于产生调制信号和高频微波信号；所述扫描装置包括含有NV色心金刚石的锥形光纤探头、待测器件、可调磁铁、位移平台和位移平台控制箱；所述荧光探测装置包括雪崩光电二极管和频谱分析仪。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统，其特征在于，所述锥形光纤探头的尖端尺寸与所述NV色心金刚石的尺寸相匹配；所述NV色心金刚石通过低荧光紫外胶或低熔点熔融玻璃粉固定在所述锥形光纤探头的尖端。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统，其特征在于，所述位移平台为二维电操控位移平台，所述位移平台上固定有待测器件。

4.一种基于脉冲调制的微波场定量测试方法，其特征在于，包括：

通过计算机控制脉冲信号发生器产生两路TTL同步脉冲信号，分别用于控制声光调制器和微波开关的通断；

微波源产生的高频微波信号经脉冲调制信号调制后，与激光脉冲发生装置产生的激光脉冲信号同时施加在含有NV色心金刚石的锥形光纤探头上；

所述NV色心金刚石在脉冲调制信号与激光脉冲信号的共振作用下产生边带荧光脉冲信号，荧光探测装置探测到的脉冲荧光主峰旁会出现一个边带信号，所述边带信号的频移与脉冲调制信号的调制频率相同；

通过微波开关改变脉冲微波的脉宽时间获得所述边带信号的拉比振荡频率，再通过所述拉比振荡频率计算得到微波场强度。

5.根据权利要求4所述的一种基于脉冲调制的微波场定量测试方法，其特征在于，还包括微波场调制方法，所述调制方法包括幅度调制或频率调制；所述脉冲调制信号由系统外部或信号源内部的调制模块提供。

6.根据权利要求4所述的一种基于脉冲调制的微波场定量测试方法，其特征在于，还包括：通过设定脉宽时间远小于一个拉比振荡周期的微波脉冲，使得所述边带信号与荧光主频信号的比值和微波场大小成正比；在所述荧光主频信号固定的情况下，通过测量固定微波脉宽下的边带信号获得微波场的分布图像。

7.一种含有NV色心金刚石的锥形光纤探头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将载有金刚石颗粒的载玻片水平固定在三维位移平台上，再将锥形光纤探头竖直固定在所述载玻片的正上方，使得锥形光纤探头的B端面正对着金刚石颗粒；将显微镜固定在金刚石与锥形光纤探头B端面的侧面，并通过调节三维位移平台对金刚石颗粒和锥形光纤探头进行精准对位；

S2，在所述锥形光纤探头的B端面涂抹少量紫外胶，通过调节三维位移平台来控制所述B端面与载玻片上金刚石颗粒之间的距离；

S3，将532nm激光由锥形光纤探头的A端面耦合入光纤，不断调节三维位移平台，使B端面不断接近载玻片而不接触，载玻片上的金刚石颗粒被激光激发后产生荧光，所述荧光反射回锥形光纤探头，再由荧光探测装置读取荧光信号并确定荧光信号的强度；

S4，通过调节三维位移平台，当荧光信号的强度最大时，使B端面接触载玻片，再离开载玻片，确定金刚石颗粒粘在B端面；

S5，若一次粘取金刚石颗粒未成功，用酒精清洁B端面，再重复步骤S2至S4；

S6，将粘有金刚石颗粒的锥形光纤探头悬空于紫外灯上方，等待30分钟，紫外胶完全固化，金刚石颗粒将稳固在锥形光纤探头的B端面。

8.根据权利要求7所述的一种含有NV色心金刚石的锥形光纤探头的制备方法，其特征在于，所述金刚石颗粒内部含有NV色心。