CN109270478B - 一种基于纳米钻石nv色心的光纤磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器。包括激发光源、波分复用器、第一尾纤、第二尾纤、第三尾纤、磁场传感光纤、微波波导、微波源以及光子探测器；其中，激发光源通过第一尾纤与波分复用器连接，光子探测器通过第三尾纤与波分复用器连接；波分复用器通过第二尾纤与磁场传感光纤连接；磁场传感光纤连接微波波导；微波波导连接微波源。本发明可极大地减小了传感器体积，有利于传感器的纤维集成；提高了光纤磁场传感器的灵敏度；发展了纳米钻石在光纤传感领域内的应用。

Description

一种基于纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器。

背景技术

随着电子技术的飞速发展，磁场的测量在各个领域如导航，电流检测，医用检测和地球物理研究等都有广泛的应用。在导航上，利用地磁场实现全球定位。在电流检测中，利用电磁定律实现对电流的监控。在地球物理研究上，地磁场作为天然存在的地球物理场受到广泛研究。在医用检测中，核磁共振成像也已成为通用的医学检测手段。

近年来以光纤为传感元件的磁场测量技术已成为磁场传感技术中的研究热点。随着各种光纤器件的大量涌现，使用光纤及光纤器件来进行磁场传感的方法越来越受到人们的广泛关注。与传统的磁场传感器相比，光纤磁场传感器在磁场传感方面有着突出的优势，除了体积小、重量轻以外，还具有抗辐射、抗干扰、防爆等优点，因此具有广阔的应用前景。

基于纳米金刚石NV色心的光测磁共振技术(Optically detectedmagneticresonance，ODMR)是一种新兴的磁共振探测方法，相比能够将灵敏度提高几个数量级，为弱磁探测领域注入了新的活力。在改变NV色心所加微波频率的同时，记录NV色心的荧光强度，最后得出一个荧光强度和微波频率的关系图，即光探测磁共振谱。当所加的微波频率和自旋中的其中一个跃迁频率共振时，NV色心的突荧光强度会下降，因此在光探测磁共振谱上会看到一个波谷。当所加的外磁场变化的时候，由哈密顿方程可以看出，由于塞曼效应，对应到土光探测磁共振谱的共振频率的位置也会变化，即为塞曼位移。根据频移的多少可以计算出所加的外磁场的大小，因此可以实现基于NV色心的磁场传感 (Nature,2008,455(7213):648-651)。

基于纳米钻石NV色心的光测磁共振技术的研究装置大多是基于空间元件的共聚焦扫描显微镜系统平台。将基于纳米钻石NV色心的光测磁共振技术与光纤技术结合，构成新型光纤磁场传感器，则既能发挥光测磁共振技术的特点，又能发挥光纤精巧、灵活、光路稳定的优势。

2013年，基于纳米钻石与光纤结合的结构，中国科技大学王冠中研究小组提出了一种基于锥形光纤与纳米钻石集成的光纤磁场传感器新结构(Applied PhysicsLetters,2013,103(14):143105.)。通过研究光纤锥与纳米钻石的光耦合效率发现光纤锥收集的荧光计数比共聚焦系统的高，并且以光纤锥作为收集方式的磁场传感器灵敏度更高。该结构的光纤磁场传感器具有高收集效率，制备简单，灵敏度高，易集成等优点，但是这种基于光纤锥的纳米钻石磁场传感器是基于显微镜平台之上的，激发光通过显微镜平台耦合到纳米钻石激发荧光结构复杂，体积庞大笨重，纳米钻石裸露在外，不易转移使用，仅能实现单点磁场数据采集，无法实现分布式磁场测量。

之后有学者利用亚碲酸盐玻璃纤维与带有NV色心的纳米钻石结合，实现了远程的磁场测量。这种方式的的光纤磁场传感器，实现了远距离的磁场传感。但是其激发方式仍然是传统光学中的透镜形式(Remote Nanodiamond Magnetometry.arXiv preprint arXiv:1602.06611,2016.)。

发明内容

本发明的目的在于提供体积小巧、操纵灵活、灵敏度高且可实现磁场空间内分布式传感和光纤集成器件的一种基于纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器，其特征在于：包括激发光源(1)、波分复用器(2)、第一尾纤(2-1)、第二尾纤(2-2)、磁场传感光纤(3)、微波波导(4)、微波源(5)以及光子探测器(6)，其特征在于：激发光源(1)通过第一尾纤(2-1)与波分复用器(2)左端连接，光子探测器(6)通过第三尾纤(2-3)与波分复用器(2)左端连接，波分复用器(2)右端通过第二尾纤(2-2)与磁场传感光纤(3)左端连接，磁场传感光纤(3)右端连接微波波导(4)左端，微波波导(4)右端连接微波源(5)；

其中，激发光源(1)发出的激发光通过波分复用器(2)传输到磁场传感光纤(3)中,传输的激发光以倏逝场的形式耦合到磁场传感光纤(3)的NV色心纳米钻石上激发带有NV色心的纳米钻石的荧光，荧光同样以倏逝场耦合到磁场传感光纤(3)中并传输，经波分复用器(2)被光子探测器(6)接收，同时微波源(5)经微波波导(4)把微波源(5)产生的微波加载到磁场传感光纤(3)上，在光子探测器(6)中获取光探测磁共振谱以测量磁场大小；所述的磁场传感光纤(3)上散布大量带有NV色心的纳米钻石可实现分布式的磁场测量。

其中，所述的磁场传感光纤(3)，含有大量NV色心的纳米钻石散布于光纤芯附近，纳米钻石与纤芯的距离满足激发光和荧光倏逝场的高效耦合，散布带有大量NV色心的纳米钻石可实现分布式磁场测量，磁场传感光纤(3)可以是偏孔光纤和“蝴蝶形”等带有V型槽的异形光纤；

其中，所述的微波波导(4)为集成在磁场传感光纤(3)偏孔中或V型槽中的金属丝，微波波导与磁场传感光纤(3)纤芯的最大距离不大于5μm；微波波导(4)的接地线，可以是集成在磁场传感光纤(3)V 型槽的金属丝也可以是利用离子溅射仪镀到磁场传感光纤(3)上的金属膜。

本发明的有益效果在于：

1.本发明利用光纤中传输光的倏逝场和纤芯附近的微波激发带有NV色心的纳米钻石，扫描光探测磁共振谱，通过置于纤芯附近的纳米钻石作为磁场传感单元，极大地减小了传感器体积，有利于传感器的纤维集成，实现了基于纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器的分布式磁场参数测量；

2.通过利用纳米钻石和特种光纤传感技术结合构造光纤磁场传感器的新方法，基于纳米钻石NV 色心的磁场测量高灵敏度，提高了光纤磁场传感器的灵敏度；

3.通过提出了光纤磁场传感器的新结构，为基于纳米钻石磁场测量原理的光纤磁场传感器实用化提出了解决方案，基于倏逝场耦合和增强荧光强度，发展了纳米钻石在光纤传感领域内的应用；

附图说明

图1为一种基于纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器整体结构图；

图2为本发明纳米钻石NV色心的磁场传感原理即荧光激发与接收示意图；

图3为本发明所测得某一磁场下的光探测磁共振谱图；

图4(a)、图4(b)为本发明其中一种内部空气孔型特种光纤磁场传感头及其横截面图；

图5(a)、图5(b)为本发明其中一种开放型特种光纤磁场传感头及其横截面图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明做进一步描述：

图1为一种基于纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器整体结构图；

图2为本发明纳米钻石NV色心的磁场传感原理即荧光激发与接收示意图；

图3为本发明所测得某一磁场下的光探测磁共振谱图；

图4(a)、图4(b)为本发明其中一种内部空气孔型特种光纤磁场传感头及其横截面图；

图5(a)、图5(b)为本发明其中一种开放型特种光纤磁场传感头及其横截面图。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明基于特种光纤利用纳米钻石NV色心的光探测磁共振谱(ODMR)测量磁场，其实现过程如图2 所示，光纤传输的激发光的倏逝场作用于光纤芯附近大量散布的具有NV色心的纳米钻石上，纳米钻石被激发出荧光，经倏逝场耦合进入光纤中，经过传输被光子计数模块记录光能量，纳米钻石在微波和激光的共同作用下在其产生的光探测磁共振谱上表现为一个波谷，受外界磁场作用光探测磁共振谱零场分裂，解哈密顿量的本征方程得到磁场的大小。在某一磁场下的光探测磁共振谱分裂如图3所示，通过微波频率G1和G 2的差值Δν可以推算出磁场大小。

根据以上原理和结构，本发明可以通过以下方式得以实现：

一、实施例一

为满足激发光和荧光的倏逝场耦合条件，以及微波的加载，设计并制作一种偏孔光纤，并将含有 NV色心的纳米钻石散布到光纤芯附近，在空气孔中通入微波波导，在光纤表面铺设微波地线，并将制作好的如图4(a)所示的特种光纤磁场传感探头接入到如图1所示的磁场传感系统中。其具体操作步骤如下：

(1)设计制作如图4(b)所示横截面的偏孔光纤，空气孔3A-1大小约为50μm，距离纤芯3A-2最大距离不大于5μm，保证空气孔距离光纤芯较近，可以使纤芯光束倏逝场泄露方便耦合，以及空气孔足够大能够方便穿入微波波导3A-41及沉积纳米钻石3A-3；

(2)选取一段长约为20cm的偏孔光纤，处理切割偏孔光纤的两端，并将光纤涂覆层全部去除，把直径约为20μm粗细的微波波导铜线3A-41穿入偏孔光纤的空气孔3A-1中并预留尾线与微波源5接通，之后利用微泵将含有纳米钻石的异丙醇灌注到空气孔3A-1内，等异丙醇挥发完以后纳米钻石3A-3 颗粒沉积在光纤空气孔3A-1壁上，利用离子溅射仪将裸露光纤镀膜作为微波波导的地线3A-42并焊接预留尾线与微波源5相连；

(3)把制作好的偏孔光纤磁场传感探头无微波波导尾线的一端与波分复用器2的尾纤2-2用焊接机熔接在一起，使用光纤涂覆机对裸光纤增补涂覆层以保证光纤的强度和方便把传感头接入光纤光路中，最后把微波波导3A-41和3A-42与微波源接通。

将上述步骤制作好的偏孔光纤传感探头的波分复用器2的两端尾纤2-1、2-2与激发光光源1和光子探测器6用光纤焊接机熔接连接，微波波导4预留的尾纤3A-41、3A-42连接。打开激发光光源，同时扫描微波频率，通过光子探测器6探测纳米钻石的荧光，可以获得光探测磁共振谱，在一定的磁场强度下，其光探测磁共振谱的零级条纹分裂，实验结果类似如图3所示。

二、实施例二

同样为满足激发光和荧光的倏逝场耦合条件，以及微波的加载，设计并制作另外一种“蝴蝶形”光纤，并将含有NV色心的纳米钻石散布到光纤芯附近，在空气孔中通入微波波导，在光纤表面铺设微波地线，将制作好的如图5(a)所示的特种光纤磁场传感探头接入到如图1所示的磁场传感系统中。其具体操作步骤如下：

(1)设计制作如图5(b)所示横截面的“蝴蝶形”光纤，其拉制过程中暂不添加涂覆层，V形开孔 3B-1最大开口约为50μm，距离纤芯3B-2最大距离不大于5μm，可以使纤芯光束倏逝场泄露方便耦合，以及方便铺设微波波导3B-41及沉积纳米钻石3B-3；

(2)选取一段长约为20cm的“蝴蝶形”光纤，处理切割偏孔光纤的两端，把直径约为20μm粗细的微波波导铜线3B-41从带有纳米钻石的涂覆液槽中穿过，使其沾满带有纳米钻石的涂覆液，然后将其铺设到V形孔3B-1中，并预留尾线与微波源5接通，在微波波导3B-41与光纤包层接触时固化涂覆液，将纳米钻石3B-3固化在微波波导3B-41和纤芯3B-2之间，同样的方法将不含有纳米钻石的涂覆液微波波导作为地线3B-42固化到光纤上，并预留尾线与微波源5相连；

(3)把制作好的“蝴蝶形”光纤磁场传感探头无微波波导尾线的一端与波分复用器2的尾纤2-2 用焊接机熔接在一起，使用光纤涂覆机对裸光纤增补涂覆层以保证光纤的强度和方便把传感头接入光纤光路中，最后把微波波导3B-41和3B-42与微波源接通。

将上述步骤制作好的偏孔光纤传感探头的波分复用器2的两端尾纤2-1、2-2与激发光光源1和光子探测器6用光纤焊接机熔接连接，微波波导4预留的尾纤3B-41、3B-42连接。打开激发光光源，同时扫描微波频率，通过光子探测器6探测纳米钻石的荧光，可以获得光探测磁共振谱，在一定的磁场强度下，其光探测磁共振谱的零级条纹分裂，实验结果类似如图3所示。

Claims (1)

1.一种基于纳米钻石NV色心的光纤磁场传感器，其特征在于：包括激发光源(1)、波分复用器(2)、第一尾纤(2-1)、第二尾纤(2-2)、磁场传感光纤(3)、微波波导(4)、微波源(5)以及光子探测器(6)；其中，激发光源(1)通过第一尾纤(2-1)与波分复用器(2)左端连接，光子探测器(6)通过第三尾纤(2-3)与波分复用器(2)左端连接；波分复用器(2)右端通过第二尾纤(2-2)与磁场传感光纤(3)左端连接；磁场传感光纤(3)右端连接微波波导(4)左端；微波波导(4)右端连接微波源(5)；

所述的激发光源(1)发出的激发光经过波分复用器(2)传输到磁场传感光纤(3)中，激发光以倏逝场的形式耦合激发磁场传感光纤(3)中带有NV色心的纳米钻石产生荧光，荧光同样以倏逝场耦合到磁场传感光纤(3)中并传输，经波分复用器(2)被光子探测器(6)接收，同时微波源(5)经微波波导(4)把微波源(5)产生的微波加载到磁场传感光纤(3)上，在光子探测器(6)中获取光探测磁共振谱以测量磁场大小；

所述的磁场传感光纤(3)，含有大量NV色心的纳米钻石散布于光纤芯附近，纳米钻石与纤芯的距离满足激发光和荧光倏逝场的高效耦合，并且在纤芯近处铺设微波波导(4)，微波波导(4)使用单芯光纤、多芯光纤和环形芯光纤中的一种；

所述的激发光源(1)对带有NV色心的纳米钻石的激励起荧光；

所述的微波波导(4)用以将微波源(5)发出的微波传输到光纤芯附近，作用到纳米钻石上以获得光探测磁共振谱。

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