CN109238505A - 一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，包括控制装置、信号发生装置、信号分析装置、激光极化装置、微波调制装置、共聚焦光路和三维电控位移台；所述控制装置对信号发生装置、微波调制装置、三维电控位移台和信号分析装置的工作进行控制；所述共聚焦光路连接锥形光纤，所述锥形光纤上设置有金刚石颗粒，所述金刚石颗粒处于被测温度场内，所述被测温度场设置在所述三维电控位移台上。本发明还公开一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像测量方法，相比于传统温度场测量方法，其具有较高的测量灵敏度以及空间分辨率。

Description

一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统及方法

技术领域

本发明属于高分辨温度场测量技术领域，具体是一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统及方法。

背景技术

温度是热力学基本单位，是表征环境、器件以及系统的重要性能参数之一。温度，尤其是温度场的准确测量，在工业生产、科学研究等应用中起着至关重要的作用。传统的温度场测量方法主要是利用红外辐射的方法进行成像分析，但这类方法测量温度的分辨率较低，难以实现微电子、微流体等器件的温度场测量。因此，近几年来对温度场测量的研究逐渐侧重于微米-纳米尺度下的高分辨温度场测量。现今，高分辨率温度场测量方法主要有拉曼光谱测温法、分子标记测温法以及热扫描显微成像测量法等。但是，这些方法容易受到染料荧光率以及环境荧光波动所影响，从而导致所得到的测量结果灵敏度较低。随机误差较大。

NV(Nitrogen-Vacancy)色心是金刚石结构中的一种具有发光特性的自旋缺陷，其中包括一个替换碳原子的氮原子及其相邻的空穴。近年来，由于它在室温下具有很多如光稳定性、生物相容性、化学惰性、长自旋相干以及弛豫时间等的优良的性能，使其研究越来越广泛。NV色心的基态包含|m_s＝0>和|m_s＝±1>的自旋三重态，其自旋态可以通过光学检测磁共振(ODMR)技术测量得出。在室温下，由于其自旋相互作用，|m_s＝0>态和|m_s＝±1>态具有中心频率D＝2.87GHz的零场劈裂。当温度改变时，NV色心零场的中心频率D会随着温度的升高而减小，反之会随着温度的降低而增大，同时具有线性变化特性，其温度变化灵敏度可达-74kHz/K。

综上所述，为了克服传统温度场的测量缺陷，我们基于NV色心的高灵敏度温度敏感特性，提出了一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统及方法。该方法选用具有NV色心的微米或纳米级金刚石样本作为温度敏感单元；利用截面尺寸在亚微米级的锥形光纤进行样品固定以及荧光传导；利用光学共聚焦系统进行不同温度下金刚石的荧光收集测量；利用高精度三维位移平台精确改变温度测量点。因此，该方法具有高分辨率以及高灵敏度的特点，从而能够得到准确精细的温度场成像。

发明内容

本发明的目的在于克服传统温度场的测量缺陷，提供一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统及方法，其利用微米或纳米尺度的NV金刚石颗粒进行温度场敏感，相比于传统温度场测量方法，本发明具有较高的测量灵敏度以及空间分辨率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，包括控制装置、信号发生装置和信号分析装置，还包括激光极化装置、微波调制装置、共聚焦光路和三维电控位移台；所述控制装置对信号发生装置、微波调制装置、三维电控位移台和信号分析装置的工作进行控制；所述共聚焦光路连接锥形光纤，所述锥形光纤上设置有金刚石颗粒，所述金刚石颗粒处于被测温度场内，所述被测温度场设置在所述三维电控位移台上。

优选地，所述微波调制装置包括：固定射频源、带调制功能的微波源、微波开关、声光调制器、微波天线；所述的信号分析装置与共聚焦光路之间还连接有雪崩光电二极管。

优选地，所述金刚石颗粒为含有氮空位(nitrogen vacancy；NV)色心的纳米级或微米级金刚石颗粒，并且所述金刚石颗粒粘接于所述锥形光纤的尖端截面上。

优选地，所述锥形光纤的末端平面处于所述共聚焦光路的聚焦焦点上，所述锥形光纤的末端平面的法向与入射光轴对齐，从而接收激光脉冲。

优选地，所述被测温度场固定于所述三维电控位移台的平面上，所述金刚石颗粒处于所述被测温度场内，并可接触待测对象，在激光脉冲和电磁脉冲的共同作用下进行测量。

优选地，在金刚石颗粒的NV色心附近施加一个固定磁场。这样的设置可增加ODMR零场数据的谱峰个数，从而得到更高精度的温度场测量数据。

一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像测量方法，所述方法基于上述的高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，包括以下步骤：

S1、搭建高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统；

S2、设置三维电控位移台的初始位置；

S3、控制装置控制信号发生器输出独立的数字信号来分别控制激光和微波开关；

S4、激光脉冲进入共聚焦光路并被引入锥形光纤后，脉冲激光照射到金刚石颗粒上，金刚石颗粒在脉冲激光与电磁波共同作用下产生荧光信号；

S5、信号分析装置对金刚石颗粒在不同载波频率的微波信号作用下所产生的荧光信号进行采集和频谱分析，并从信号频谱中提取出微波开关频率旁边调制频率处的边带信号峰值，通过建立微波信号载波频率与荧光边带信号峰值之间的关系得到光探测磁共振谱数据ODMR；

S6、对上述ODMR光探测磁共振谱数据进行洛伦兹拟合运算，得到两个劈裂谱峰之间的中心频率D，根据所述中心频率D与被测温度之间的变化关系，得到当前测量点的温度；

S7、在三维电控位移台提供不同位置时，依次重复进行上述S3-S6，利用测量结果与三维电控位移台的位置关系，得到被测温度场的测量数据。

优选地，所述微波调制装置包括固定射频源、带调制功能的微波源、微波开关、声光调制器、微波天线，所述被测温度场的测量量程决定所述带调制功能的微波源输出信号的载波频率变化范围；所述被测温度场的测量空间分辨率等于金刚石尺寸。

优选地，激光和微波脉冲交替施加在金刚石样品上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明选用具有NV色心的纳米级或微米级金刚石样本作为温度敏感单元，利用截面尺寸在亚微米级的锥形光纤进行金刚石颗粒的固定以及荧光传导，利用光学共聚焦系统进行不同温度下金刚石颗粒的荧光收集测量，利用高精度三维位移平台精确改变温度测量点，因此，本发明的系统及方法具有高分辨率以及高灵敏度的特点，能够得到准确精细的温度场成像。

附图说明

图1为根据实施例的本发明一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统的结构示意图；

图2为根据实施例的本发明中激光脉冲序列、微波信号开关序列、微波调制脉冲序列以及电磁波辐射脉冲序列的示意图；

图3为根据实施例的本发明方法测量得到的室温下NV金刚石的ODMR图谱的示意图；

图中：1、计算机；2、脉冲信号发生器；3、固定射频源；4、带调制功能的微波源；5、微波开关；6、微波开关；7、激光光源；8、声光调制器；9、共聚焦光路；10、雪崩光电二极管；11、信号分析仪；12、锥形光纤；13、被测温度场；14、NV金刚石；15、微波天线；16、三维电控位移台。

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。

本发明提供了一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统及方法，该系统搭建及测量方法具体实现如下：

1)搭建三维温度场成像系统，系统结构及连接方式如图1所示。计算机1通过PCI总线连接脉冲信号发生器2、通过USB接口连接带调制功能的微波源4、通过GPIB总线连接信号分析仪11、通过RS232总线连接三维电控位移台16；微波开关5输入端接固定射频源3、输出端接声光调制器8、控制端接脉冲信号发生器2中的一个通道；微波开关6的输入端接带调制功能的微波源4、输出端连接微波天线15、控制端接接脉冲信号发生器2中的另一个通道；声光调制器8接收激光光源7射出的光线，并将由微波开关5控制的激光脉冲射入共聚焦光路9中；共聚焦光路9将光线聚焦后射入锥形光纤12的末端平面，末端平面法向与入射光轴保持对齐，锥形光纤12的尖端平面粘接NV金刚石14；雪崩光电二极管10经过共聚焦光路9接收NV金刚石14被激发的荧光，并与信号分析仪11连接；NV金刚石14靠近微波天线15，并与被测温度场13接触；被测温度场13固定于三维电控位移台16表面，并随其移动；

具体地，在本发明所涉及的高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统中，计算机1主要用于控制脉冲信号发生器2输出所需要的TTL数字信号、控制带调制功能的微波源4输出不同参数的微波信号、控制三维电控位移台16运动、通过控制信号分析仪11采集测量数据以及对采集数据进行分析成像。在每一个固定的射频信号频率下，计算机1控制脉冲信号发生器2输出不同的TTL数字信号来分别控制微波开关5与微波开关6的通断，从而控制激光脉冲以及微波信号开关序列；

脉冲信号发生器2主要用于为微波开关5与微波开关6提供TTL数字开关信号。微波开关5用于控制声光调制器8接收的从固定射频源3发出的固定射频信号的通断；微波开关6用于控制微波天线15接收的从带调制功能的微波源4发出的变化微波信号的通断，微波天线15用于将该微波信号以电磁波的形式辐射出来；

声光调制器8用于将激光光源7射出的连续激光转化为脉冲激光输出至共聚焦光路9中，该脉冲激光信号的频率与占空比是由微波开关5从脉冲信号发生器2接收到的TTL数字开关信号所决定；

共聚焦光路9一方面用于将脉冲激光引入锥形光纤12中，从而使其照射到金刚石颗粒14上，金刚石颗粒14在脉冲激光与微波天线15辐射的电磁波共同作用下会产生荧光信号，该荧光信号的性质会受到温度场13的影响而发生变化。三维电控位移台16用于改变金刚石14在被测温度场中的位置，从而使其敏感被测温度场中不同位置的温度；

另外，共聚焦光路9另一方面用于将该荧光信号收集并传递给雪崩光电二极管10。雪崩光电二极管10用于将收集到荧光信号转化为电信号。信号分析仪11针对该信号进行频谱分析测量，并将测量结果传输至计算机1中进行分析成像；

2)设置系统运行基本参数，包括激光光源7波长为532nm、输出功率50mW；固定射频源3输出信号波形为正弦波、频率为200MHz、输出功率为13dbm；带调制功能的微波源4信号载波频率变化范围(2820MHz～2930Hz)、步长2MHz、输出功率8dbm、脉冲调制频率91Hz；微波开关5接收的TTL信号控制激光脉冲，该信号频率为1MHz，占空比为50％，激光脉冲的脉宽为500ns；微波开关6接收的TTL信号控制微波信号开关，该信号频率为1MHz，占空比为40％，比微波开关5接收的信号延迟50ns，即在第550ns时接收信号；根据被测温度场尺寸形状，设置三维电控位移台16三个方向的变化范围及步长；

3)设置三维电控位移台的初始位置；

4)设置带调制功能的微波源4输出信号的初始载波频率；具体地，当三维电控位移台处于一个固定位置时，利用计算机1对带调制功能的微波源4进行输出微波信号的设置，令输出的微波信号频率在2.87GHz左右变化，其变化范围根据被测温度场的温度变化范围所决定，不同输出信号的频率间隔由温度测量值的分辨率所决定；另外，对该输出信号进行低频脉冲调制；

5)利用信号分析仪11采集雪崩光电二极管10的测量信号，采集时间0.5s；

6)进行频谱分析，提取出频率为1000.091kHz的边带信号峰值，并记录该峰值所对应的微波信号的载波频率；

具体地，图2显示了激光脉冲序列、微波信号开关序列、微波调制脉冲序列以及通过微波信号开关序列与射频调制脉冲序列得到的电磁波辐射脉冲序列之间的关系。信号分析仪11在上述不同序列的控制下进行荧光数据的采集和频谱分析，其频谱分析结果显示出幅值高低的两个谱峰。其中，幅值较高的谱峰中心频率与激光脉冲序列频率一致，表征激光脉冲序列引起的荧光信号变化；幅值较低的谱峰是幅值较高谱峰的边带信号，表征高频电磁波信号引起的荧光信号变化；

7)判断载波频率是否为频率范围最大值，如不是最大值，改变带调制功能的微波源4信号载波频率，并返回步骤5)；如果是最大值，则进行步骤8)；

8)建立步骤6)中的信号峰值与微波信号载波频率的变化关系，得到该三维电控位移台16当前位置的ODMR曲线，如图3所示。其次，通过对该曲线进行洛伦兹拟合得到中心频率D，并将中心频率D转化为被测温度值，同时记录当前三维电控位移台16的位置；

具体地，当改变微波信号的主频率时，能够利用上述的边带信号的幅值与信号主频率之间的关系得到信噪比较高的ODMR零场劈裂数据；针对该ODMR数据进行洛伦兹拟合运算，得到两个劈裂谱峰之间的中心频率D；根据中心频率D与被测温度之间的以-74kHz/℃为斜率的线性变化关系，即可得到当前测量点的温度；

9)判断当前三维电控位移台16的是否运行完所有位置，如不是，则返回步骤4；如是，则进行步骤10；具体地，不断改变三维电控位移台16的位置，并重复进行以上温度测量方法，直到当前三维电控位移台16运行完所有位置；

10)建立步骤8)中的被测温度值与三维电控位移台16位置的变化关系，得到被测温度场的测量数据。

进一步地，在温度场测量过程中，可以在NV色心附近施加一个固定磁场。NV金刚石具有四个固定的NV对称轴，该固定磁场在这四个轴向投影的磁场强度不同，导致每个轴向的NV色心|m_s＝+1>自旋态与|m_s＝-1>自旋态能级劈裂的宽度不同，从而使其ODMR数据由原来的零场劈裂数据中的两个谱峰变为八个谱峰。在温度恒定的情况下这八个谱峰的中心频率D与零场劈裂的两个谱峰的中心频率D是相同。但针对八个谱峰的ODMR数据进行洛伦兹拟合运算得的中心频率D具有更高的准确的，从而能够得到更高精度的温度场测量数据。

本发明公开的一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统及方法，其测量原理主要基于具有NV色心金刚石在零磁场下ODMR谱峰的中心频率D随环境温度进行高灵敏度线性变化的特性。系统中包括激光极化装置、微波调制装置、共聚焦光路以及三维电控位移台，并利用微米或纳米尺度的NV金刚石颗粒进行温度场敏感。因此，相比于传统温度场测量方法，本发明具有较高的测量灵敏度以及空间分辨率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，包括控制装置、信号发生装置和信号分析装置，其特征在于，还包括激光极化装置、微波调制装置、共聚焦光路和三维电控位移台；所述控制装置对信号发生装置、微波调制装置、三维电控位移台和信号分析装置的工作进行控制；所述共聚焦光路连接锥形光纤，所述锥形光纤上设置有金刚石颗粒，所述金刚石颗粒处于被测温度场内，所述被测温度场设置在所述三维电控位移台上。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，其特征在于，所述微波调制装置包括：固定射频源、带调制功能的微波源、微波开关、声光调制器、微波天线；所述的信号分析装置与共聚焦光路之间还连接有雪崩光电二极管。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，其特征在于，所述金刚石颗粒为含有氮空位(NV)色心的纳米级或微米级金刚石颗粒，并且所述金刚石颗粒粘接于所述锥形光纤的尖端截面上。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，其特征在于，所述锥形光纤的末端平面处于所述共聚焦光路的聚焦焦点上，所述锥形光纤的末端平面的法向与入射光轴对齐，从而接收激光脉冲。

5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，其特征在于，所述被测温度场固定于所述三维电控位移台的平面上，所述金刚石颗粒处于所述被测温度场内，并可接触待测对象，在激光脉冲和电磁脉冲的共同作用下进行测量。

6.根据权利要求3所述的一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，其特征在于，在金刚石颗粒的NV色心附近施加一个固定磁场。

7.一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像测量方法，所述方法基于权利要求1所述的高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1、搭建高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统；

S2、设置三维电控位移台的初始位置；

S3、控制装置控制信号发生器输出独立的数字信号来分别控制激光和微波开关；

S4、激光脉冲进入共聚焦光路并被引入锥形光纤后，脉冲激光照射到金刚石颗粒上，金刚石颗粒在脉冲激光与电磁波共同作用下产生荧光信号；

S5、信号分析装置对金刚石颗粒在不同载波频率的微波信号作用下所产生的荧光信号进行采集和频谱分析，并从信号频谱中提取出微波开关频率旁边调制频率处的边带信号峰值，通过建立微波信号载波频率与荧光边带信号峰值之间的关系得到光探测磁共振谱数据ODMR；

S6、对上述ODMR光探测磁共振谱数据进行洛伦兹拟合运算，得到两个劈裂谱峰之间的中心频率D，根据所述中心频率D与被测温度之间的变化关系，得到当前测量点的温度；

S7、在三维电控位移台提供不同位置时，依次重复进行上述S3-S6，利用测量结果与三维电控位移台的位置关系，得到被测温度场的测量数据。

8.根据权利要求7所述的一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像测量方法，其特征在于，所述微波调制装置包括固定射频源、带调制功能的微波源、微波开关、声光调制器、微波天线，所述被测温度场的测量量程决定所述带调制功能的微波源输出信号的载波频率变化范围；所述被测温度场的测量空间分辨率等于金刚石尺寸。

9.根据权利要求7所述的一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像测量方法，其特征在于，激光和微波脉冲交替施加在金刚石样品上。