CN109884013B - 提高金刚石nv色心荧光收集效率的方法 - Google Patents

提高金刚石nv色心荧光收集效率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高金刚石NV色心荧光收集效率的方法，基于Purcell效应利用纳米金刚石与微球腔耦合形成光学谐振腔，并在其上集成微波天线，制备内含纳米金刚石的微球腔（200‑500微米）。采用532nm激光激发金刚石NV色心产生荧光，利用回音壁模式对荧光进行增强和汇集，使金刚石NV色心产生的荧光能在微球腔内不断循环，从而建立起较强的光场，用与球腔相连的光纤直接实现对荧光的收集。本发明通过将纳米金刚石与光学微腔耦合，制备工艺要求低，具有成本低、模式体积小及能量密度高等特点，实现了金刚石NV色心荧光的激发与高效收集，有望实现基于NV色心的高灵敏度量子传感器的集成化应用。

Description

提高金刚石NV色心荧光收集效率的方法
技术领域
本发明涉及金刚石NV色心的荧光探测领域，具体为一种提高金刚石NV色心荧光收集效率的方法，有望应用于基于NV色心的高灵敏度量子传感器上。
背景技术
金刚石晶体中普遍存在着各种晶格缺陷，其中由杂质氮引起的氮空位（nitrogenvacancy 简称NV）色心缺陷在室温下具有稳定的光学特性、电子自旋特性以及理想的固态量子比特等性质，被广泛应用于量子存储、量子信息处理、生物荧光标记以及超分辨成像等方面。金刚石NV色心具有稳定的能级结构和优越的发光特性，能被激光和微波操控，可实现高灵敏度物理量探测。关于金刚石NV色心的研究和应用大部分是基于NV色心的荧光探测，因此研究NV色心的荧光机制，提高其收集效率具有重要意义。
由于NV色心与电磁场耦合强度较小，因此对NV色心的荧光收集效率一直较低，为提高金刚石NV色心的荧光收集效率，传统的如采用等离子体增强的方式对NV色心荧光信号进行增强或对金刚石进行加工使其产生一些特殊的结构等方法，这些方法的实现所需的实验操作非常复杂，实验要求非常高且加工品质不易保证，不利于推广。也有一些研究利用多个光电探测器从多个方向对NV色心的荧光进行收集，但这使得整个金刚石NV色心荧光激发采集系统过于庞大限制了其在小型灵敏传感器上的应用。为实现金刚石NV色心在传感与精密测量邻域的广泛应用，亟需找到一种针对金刚石NV色心荧光的简便、高效收集方法。
基于Smith-Purcell效应，可知光学微腔对金刚石NV色心光子的产生和收集有显著的增强效果。本发明的目的在于，通过采用具有较高腔品质因数Q的微球腔（直径为200-500微米）与纳米金刚石NV色心相结合，实现NV色心的光学能级与微球腔的强耦合以增强NV色心荧光收集的效率。
发明内容
本发明针对现有金刚石NV色心荧光收集方法存在的不足，基于Purcell效应提出一种提高金刚石NV色心荧光收集效率的方法。
本发明利用纳米金刚石与微球腔耦合形成光学谐振腔，将光子长时间的束缚在微腔内形成回音壁模式，使其具有超高Q值、极小的模式体积和超高的能量密度，并在其上集成微波天线，实现金刚石NV色心荧光的激发与高效收集。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种提高金刚石NV色心荧光收集效率的方法，包括如下步骤：
（1）、将粒径为0-50nm的纳米金刚石经过10MeV的电子束辐照，然后真空800℃退火2h产生NV色心，再在空气中500℃氧化2h去除纳米金刚石表面的sp²碳，最后将处理好的纳米金刚石颗粒置于异丙醇溶液中超声形成均匀的悬浮液；
（2）、将（1）中所制备的纳米金刚石悬浮液注入空心玻璃管内并干燥，使纳米金刚石颗粒均匀附着在玻璃细管内壁；
（3）、将光纤外表皮剥掉，将其安放在光纤接熔机一端的夹具上固定，再将（2）中所制备的空心玻璃管固定在光纤接熔机的另一端夹具上，通过调整夹具的坐标，使光纤与空心玻璃管处于同一轴线；
（4）、控制光纤接熔机夹具的步进电机，使得光纤和玻璃管沿同一轴线相向运动，运动至空心玻璃管套入光纤尖端，然后通过电极放电对相接处进行熔接，玻璃管与光纤相接处在电极放电下熔融相连成为一体；
（5）、用刻刀将玻璃管在连接处平整截断，仅留下玻璃管与光纤熔接相连部分和与其所相连的光纤，将连接处放在光纤接熔机中继续烧熔使玻璃管截断处端面处于熔融状态，继续对光纤和玻璃管连接处电极放电烧熔，在表面张力的作用下连接处自然成球形，从而制得与光纤相连的内含纳米金刚石的空心微球腔；
（6）、在与球腔相连的光纤上附着微波天线，实现球腔与微波天线的集成；
（7）、采用532nm激光与微波激发球腔内金刚石NV色心产生荧光，微球腔束缚荧光在腔内不断循环和汇聚，从而形成较强的光场，再通过与球腔相连的光纤直接对荧光进行收集，从而达到提高荧光收集效率的目的，实现对金刚石NV色心的荧光激发与高效收集。
本发明利用光学谐振腔的回音壁模式，制备内含纳米金刚石的微球腔，并与光纤耦合。用激光和微波对球腔内纳米金刚石进行激发，使金刚石NV色心产生的荧光能在微球腔内不断循环，从而建立起较强的光场，并利用与球腔相连的光纤直接对荧光进行收集，从而达到提高荧光收集效率的目的。
本发明具有制备工艺简单、成本低、结构紧凑等特点，对金刚石荧光收集效率的提升效果明显，对基于金刚石NV色心荧光效应的器件小型化集成以及高灵敏物理量探测具有积极意义。
附图说明
图1表示本发明所制备纳米金刚石-球腔耦合的荧光激发与收集工作示意图。
图2表示所制备纳米金刚石异丙醇悬浮液示意图。
图3表示电极放电烧熔光纤与空心玻璃管制备球腔示意图。
图4表示本发明方法的加工制备流程。
图中：1-532nm固体激光器，2-反射镜Ⅰ，3-反射镜Ⅱ，4-内含纳米金刚石的玻璃微球，5-集成有微波天线的光纤，6-光电传感器，7-示波器，8-微波源，9-空心玻璃管，10-纳米金刚石异丙醇悬浮液，11-内壁附有纳米金刚石颗粒的空心玻璃管，12-光纤熔接机中电极，13-光纤，14-光纤护套。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
本发明所述的提高金刚石NV色心荧光收集效率的方法，是利用纳米金刚石与光学微球腔耦合，利用532nm激光器1与微波源8对金刚石进行激发，将其所产生的荧光在球腔内进行增强后直接通过与球腔4相连的光纤5进行收集传输，进而被光电探测器6所接收，并在示波器7上显示，完成光电信号的转换和读取，实现很高的荧光收集效率。具体实施方法如下（如图4所示）：
（1）、将粒径为0-50nm的纳米金刚石经过10MeV的电子束辐照，然后真空800℃退火2h产生NV色心，再在空气中500℃氧化2h去除纳米金刚石表面的sp²碳，最后将处理好的纳米金刚石颗粒置于异丙醇溶液中超声形成均匀的悬浮液10。
（2）、将（1）中所制备的纳米金刚石悬浮液10注入极细空心玻璃管9内并干燥，使纳米金刚石颗粒均匀附着在玻璃细管内壁，如图2所示。
（3）、目前有多种制备微腔的方法，本实例中采用电极放电熔融法制备，如图3所示。首先将光纤外表皮（光纤护套14）剥掉，将其安放在光纤接熔机一端的夹具上固定，再将（2）中所制备的空心玻璃管9固定在光纤接熔机的另一端夹具上，通过调整夹具的坐标，使光纤13与空心玻璃管9处于同一轴线。
（4）、控制光纤接熔机夹具的步进电机，使得光纤13和玻璃管9沿同一轴线相向运动，运动至空心玻璃管套入光纤尖端，然后通过电极12放电对相接处进行熔接，玻璃管与光纤相接处在电极放电下熔融相连成为一体。
（5）、用刻刀将玻璃管在连接处平整截断，仅留下与光纤熔接相连的小截玻璃管，将连接处放在光纤接熔机中继续烧熔使玻璃管截断处端面处于熔融状态，继续对光纤和玻璃管连接处电极放电烧熔，在表面张力的作用下连接处自然成球形，从而制得与光纤相连的内含纳米金刚石的空心微球腔4。
（6）、在与球腔相连的光纤上附着微波天线，实现球腔与微波天线的集成。采用532nm固体激光器通过反射镜Ⅰ2和反射镜Ⅱ3导入，与微波源8（设置微波场频率在2.85GHz~2.89GHz）通过微波天线激发微球腔4内金刚石NV色心产生荧光，微球腔4束缚荧光在腔内不断循环和汇聚，从而形成较强的光场，再通过与球腔相连的光纤、光电传感器6及示波器7直接对荧光进行收集（如图1所示），从而达到提高荧光收集效率的目的。
总之，本发明基于Purcell效应利用纳米金刚石与微球腔耦合形成光学谐振腔，并在其上集成微波天线，制备内含纳米金刚石的微球腔（200-500微米）。采用532nm激光激发金刚石NV色心产生荧光，利用回音壁模式对荧光进行增强和汇集，使金刚石NV色心产生的荧光能在微球腔内不断循环，从而建立起较强的光场，用与球腔相连的光纤直接实现对荧光的收集。本发明通过将纳米金刚石与光学微腔耦合，制备工艺要求低，具有成本低、模式体积小及能量密度高等特点，实现了金刚石NV色心荧光的激发与高效收集，有望实现基于NV色心的高灵敏度量子传感器的集成化应用。
以上具体实施例仅对本发明做示例性的说明，该实施案例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种提高金刚石NV色心荧光收集效率的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、将粒径为0-50nm的纳米金刚石经过10MeV的电子束辐照，然后真空800℃退火2h产生NV色心，再在空气中500℃氧化2h去除纳米金刚石表面的sp²碳，最后将处理好的纳米金刚石颗粒置于异丙醇溶液中超声形成均匀的悬浮液；
（2）、将（1）中所制备的纳米金刚石悬浮液注入空心玻璃管内并干燥，使纳米金刚石颗粒均匀附着在空心玻璃管内壁；
（3）、将光纤外表皮剥掉，将其安放在光纤接熔机一端的夹具上固定，再将（2）中所制备的空心玻璃管固定在光纤接熔机的另一端夹具上，通过调整夹具的坐标，使光纤与空心玻璃管处于同一轴线；
（4）、控制光纤接熔机夹具的步进电机，使得光纤和空心玻璃管沿同一轴线相向运动，运动至空心玻璃管套入光纤尖端，然后通过电极放电对相接处进行熔接，空心玻璃管与光纤相接处在电极放电下熔融相连成为一体；
（5）、用刻刀将空心玻璃管在连接处平整截断，仅留下与光纤熔接相连的小截空心玻璃管，将连接处放在光纤接熔机中继续烧熔使空心玻璃管截断处端面处于熔融状态，继续对光纤和空心玻璃管连接处电极放电烧熔，连接处在表面张力的作用下自然成球形，从而制得与光纤相连的内含纳米金刚石的空心微球腔；
（6）、在与球腔相连的光纤上附着微波天线，实现球腔与微波天线的集成；
（7）、采用532nm激光与微波激发球腔内金刚石NV色心产生荧光，微球腔束缚荧光在腔内不断循环和汇聚，从而形成较强的光场，再通过与球腔相连的光纤直接对荧光进行收集，从而达到提高荧光收集效率的目的。
2.根据权利要求1所述的提高金刚石NV色心荧光收集效率的方法，其特征在于：步骤（7）中，设置微波场频率在2.85GHz~2.89GHz。
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