CN109945986B - 一种纳米级分辨率集成光学量子温度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米级分辨率集成光学量子温度计。所述光学量子温度计包括分光检测装置、量子温度感应腔。在特定波长激光激发下，根据SiC晶体产生交叉弛豫(CR)现象时其光致发光(PL)强度显著变化的物理现象，确定CR位置与对应的磁场强度。温度变化1mK时，会导致数nT的磁场频移变化，据此确定不同温度分别对应的CR位置及其磁场强度，构建磁场中CR位置与温度的校准曲线，通过宏/微驱动定位平台实现纳米级空间分辨率，由上位机检测显示PL强度变化得到SiC晶体的CR位置并根据校准曲线获得待测样品材料的温度分布图。本发明基于SiC的自旋和CR现象，空间分辨率达到纳米级，实现了10mK/Hz1/2的温度测量精度，构建了集成光学量子温度计，易于工程化应用。
Description
技术领域
本发明涉及量子光学及仪器仪表技术领域，具体涉及一种纳米级分辨率集成光学量子温度计。
背景技术
在微米和纳米级别上测量具有高空间分辨率的弱温场是当前基础物理学到材料科学再到数据存储乃至生物医学科学等领域的主要挑战。当前研究的具有微米级分辨率的光学量子温度计基于NV色心，其具有基本的三重自旋态，自旋能级在激发态下被选择性地填充，可被开发用于测量温度。对于碳化硅(SiC)，发现在近红外范围的光辐射下可选择性地对S＝3/2的自旋能级进行填充，基于此提出了使用光学检测磁共振(ODMR)的方法来测量磁场和温度场。这种光学量子温度计利用SiC晶体在自旋能级S＝3/2时，近红外光致发光强度的急剧变化和外部磁场中的交叉弛豫的物理现象制成，其特征在于SiC晶体再交叉弛豫现象发生时对温度的极强依赖性，实现50mK/Hz1/2的温度测量精度，空间分辨率达到300nm，但该方法的ODMR线宽相对较大，达到2mT，且由于晶体的激发态寿命固定，其线宽无法降低。
发明内容
有鉴于此，本发明目的旨在对现有技术进行创新，提供一种纳米级分辨率集成光学量子温度计，该纳米级分辨率集成光学量子温度计实现了10mK/Hz1/2的温度测量精度，通过SiC晶体在S＝3/2自旋“亮”中心与S＝1自旋“暗”中心两者自旋能级能量差异重合产生交叉弛豫(CR)现象，其线宽较之光学检测磁共振(ODMR)的方法小约一个数量级，具有更高的灵敏度。该光学量子温度计集成化程度高，通过检测光致发光强度的变化获得待测样品材料的温度分布图，易于工程化应用。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种纳米级分辨率集成光学量子温度计，其特征在于，所述集成光学量子温度计达到纳米级空间分辨率，其结构包括分光检测装置、量子温度感应腔。
进一步地，所述分光检测装置包括微型激光发射器(1)、半反半透镜(2)、支撑架(3)、传输光纤(10)、滤光器(11)、聚焦透镜(12)、光电探测器(13)、上位机接线(14)、上位机(15)。所述微型激光发射器(1)用于发射入射激光(16)至量子温度计；所述半反半透镜(2)用于将入射激光(16)与SiC晶体自旋中心所发出的光信号(17)进行分离；所述支撑架(3)用于支撑半反半透镜(2)；所述传输光纤(10)用于传输SiC晶体自旋中心所发出的光信号(17)；所述滤光器(11)用于过滤光信号中的干扰光；所述聚焦透镜(12)用于光信号的聚焦；所述光电探测器(13)将聚焦所得的光信号转化为电信号；所述上位机接线(14)用于连接光电探测器(13)与上位机(15)；所述上位机(15)用于记录并显示光电探测器(13)所得电信号。
进一步地，所述量子温度感应腔包括支撑架(3)、压电元件(4)、扫描台(5)、通电线圈(6)、底座(7)、SiC晶体(8)、物镜(9)。所述支撑架(3)用于支撑物镜(9)；所述通电线圈(6)用于通电产生穿透SiC晶体板的磁场；所述底座(7)用于为通电线圈提供电源并连通低频发生器提供频率调制；所述物镜(9)用于记录SiC晶体自旋“亮”中心被激发时所发出的PL强度变化。
进一步地，所述SiC晶体(8)，在通电线圈通电下产生穿透SiC晶体的磁场，并通过低频发生器进行频率调制，在805nm波长激光激发下，S＝3/2自旋“亮”中心与S＝1自旋“暗”中心两者自旋能级能量差异重合产生交叉弛豫(CR)现象。根据SiC晶体产生CR现象时其光致发光(PL)强度显著变化的物理现象，测量当前温度下CR位置对应的磁场强度。在温度变化为1mK时，会导致数nT的磁场频移变化，在其他条件不变的情况下改变温度，确定不同温度分别对应的CR位置并测量其磁场强度，构建磁场中CR位置与温度的校准曲线。
进一步地，所述SiC晶体(8)表面的自旋中心与待测样品材料进行热接触，测量CR位置的磁场，通过已知的校准曲线确定PL激发区域中的温度，通过扫描样品表面构建待测样品材料的温度分布图。
进一步地，所述压电元件(4)与扫描台(5)构成了宏/微驱动定位平台，其由基底、宏动Y平台及宏动X平台构成：宏动Y平台由双压电马达驱动、宏动X平台由单压电马达驱动，均由精密交叉滚子导轨实现运动导向，且均通过一套高精密光栅系统实现位移检测反馈，可用于获得纳米级的空间分辨率。
本发明纳米级分辨率集成光学量子温度计的优点有：
本发明装置的宏/微驱动定位平台使用压电马达作为驱动，具有高分辨率，可实现高精度高分辨率定位需求；且无内部磁场，不受外部磁场干扰，对比传统电机具有高稳定性与抗干扰能力。
本发明装置基于SiC的自旋与CR现象，在强烈的温度依赖性下，其两条CR线宽较之光学检测磁共振(ODMR)测温所得线宽小约一个数量级，实现了10mK/Hz1/2的温度测量精度，构建了高灵敏度的集成光学量子温度计。
本发明装置的整体机械结构紧凑，集成化程度高，由CR位置与温度的校准曲线以及上位机对装置反馈的光信号进行分析即可实现最终的光学量子测温，可有效地实现装置小型化、工程化。
附图说明
图1为本发明一种纳米级分辨率集成光学量子温度计的剖面结构示意图。
其中，1-微型激光发射器，2-半反半透镜，3-支撑架，4-压电元件，5-扫描台，6-通电线圈，7-底座，8-SiC晶体，9-物镜，10-传输光纤，11-滤光器，12-聚焦透镜，13-光电探测器，14-上位机接线，15-上位机，16-入射激光，17-SiC晶体自旋中心所发出的光信号。
图2为压电元件4与扫描台5构成的宏/微驱动定位平台的具体结构示意图。
其中，21-基底，22-交叉滚子导轨，23-宏动Y平台，24-宏动X平台，25-光栅尺，26-压电马达，27-压电陶瓷，28-柔性铰链。
图3为实现光学量子测温的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明光学量子测温原理利用SiC晶体中S＝3/2自旋“亮”中心与S＝1自旋“暗”中心两者自旋能级能量差异重合时产生的交叉弛豫(CR)现象。在特定波长激光激发下，根据SiC晶体自旋“亮”中心在CR现象时其光致发光(PL)强度显著变化的物理现象，据此测量该温度下CR位置与对应的磁场强度。而温度变化为1mK时，会导致数nT的磁场频移变化，在其他条件不变的情况下仅改变温度，确定不同温度分别对应的CR位置以及其磁场强度，构建磁场中CR位置与温度的校准曲线。放置待测样品材料后，由光电探测器检测PL强度变化确定CR位置及其磁场强度，通过校准曲线最终获得待测样品材料的温度分布图。在量子力学的基础上要获得待测样品材料的温度还需要溯源到Hamiltonian量H,Hamiltonian参数D，磁旋比γ等物理量上，这种测量方法所得两条CR线宽比ODMR所得线宽小约一个数量级，测温时具有更高精度，温度测量精度达到10mK/Hz1/2。
本发明实施例提供了一种纳米级分辨率集成光学量子温度计，其中包括微型激光发射器1，半反半透镜2，支撑架3，压电元件4，扫描台5，通电线圈6，底座7，SiC晶体8，物镜9，传输光纤10，滤光器11，聚焦透镜12，光电探测器13，上位机接线14，上位机15，入射激光16，SiC晶体自旋中心所发出的光信号17。
图1是本发明一种纳米级分辨率集成光学量子温度计的剖面结构示意图。
具体实施步骤如下：
微型激光发射器1用于发射波长为805nm的激光16至量子温度计，使SiC晶体自旋中心能级中粒子产生能级跃迁。
半反半透镜2与水平方向夹角为45°，用于将入射波长为805nm的激光16与SiC晶体自旋中心所发出的光信号17进行分离，将光信号传输至滤光器11中。
支撑架3用于支撑半透半反镜2与物镜9。
压电元件4与扫描台5共同构成宏/微驱动定位平台(参照图2)由基底21、宏动Y平台23及宏动X平台24构成：宏动Y平台23由双压电马达26驱动、宏动X平台由单压电马达26驱动，均由精密交叉滚子导轨22实现运动导向，且均通过一套高精密光栅系统25实现位移检测反馈；宏动平台整体结构简单、无中间传动机构，压电马达运动分辨率以及光栅检测系统细分卡分辨率均达到纳米级。宏/微驱动定位平台可实现由毫米级到纳米级的跨尺度、高精度快速驱动与定位。在压电马达驱动器特有的扫描模式下，压电马达26相当于普通的压电陶瓷驱动器，可实现在±300nm内的纳米级定位。微动定位平台由压电陶瓷驱动器27驱动，柔性铰链28作为支撑和导向机构的方式实现微定位，安装在定位平台末端，作为定位平台定位误差的补偿环节，通过宏/微驱动定位平台获得纳米级空间分辨率。
通电线圈6经通电产生穿透SiC晶体的磁场。
底座7用于为通电线圈6提供电源并连通低频发生器提供频率调制。
SiC晶体8为15R-SiC晶体，利用其自旋中心产生CR现象时的温度依赖性。在磁场中自旋Hamiltonian量具有(1)式的形式：
其中，B是外部磁场大小，S是电子的自旋算符，D是SiC晶体的表征参数，γ是旋磁比。旋磁比γ具有(2)式形式：
γ＝gμB (2)
其中，g是电子自旋g因子，μB是Bohr磁子。对于S＝3/2的自旋“亮”中心，存在能量水平Ms＝+3/2,-3/2,+1/2,-1/2四种状态，可以得到
其能量差异为
对于S＝1自旋“暗”中心，存在能量水平Ms＝+1,-1,0三种状态，可以得到
其能量差异为E(+1)-E(0)＝γB+D(T)，E(0)-E(-1)＝γB-D(T)。当S＝3/2自旋“亮”中心与S＝1自旋“暗”中心两者自旋能级能量差异重合时产生CR现象，其原理为一个离子将能量传递给另外一个不同类型的离子使其跃迁至更高能级，而自身则无辐射地弛豫至能量更低的能级，将自旋中心S＝3/2与S＝1的能量差异相等，我们得到(3)式：
B＝|D(T)-2D|/(2γ) (3)
其中，D(T)表示SiC晶体场中S＝1自旋“暗”中心的精细结构参数对温度的依赖性。
SiC晶体在磁场以及频率调制的作用下，根据15R-SiC晶体产生CR现象时其光致发光(PL)强度显著变化的物理现象，测量当前温度下CR位置对应的磁场强度。而温度变化为1mK时，会导致数nT的磁场频移变化，据此在其他条件不变的情况下仅改变温度，上位机显示PL强度显著变化曲线，确定不同温度分别对应的CR位置以及其磁场强度，构建磁场中CR位置与温度的校准曲线，CR位置(BCR)对SiC晶体的温度依赖性可以用线性函数BCR＝B0-kT来近似，其中k表示CR位置对温度的线性相关系数。
在室温下，将待测样品材料置于SiC晶体8表面，使样品与SiC晶体的自旋中心进行热接触，通过测量当前CR位置的磁场，得到待测样品放置前后CR位置磁场强度的变化ΔBCR，根据ΔT＝-ΔBCR/k将磁场强度变化转换为ΔT的变化，通过扫描样品表面构建待测样品材料的温度分布图。
物镜9用于记录SiC晶体自旋“亮”中心被激发时所发出的PL强度变化。
传输光纤10用于传输经半反半透镜2反射的SiC晶体自旋中心发出的PL光17，将PL光传输至滤光器11中。
滤光器11用于过滤光信号中的干扰光，并将过滤后的光信号传输至聚焦透镜12。
聚焦透镜12用于光信号的聚焦，并将聚焦光信号传输至光电探测器13中。
光电探测器13用于将聚焦所得到的光信号转化为电信号。
上位机接线14用于光电探测器13与上位机15的连接。
上位机15用于记录并显示光电探测器13所得光信号，观察PL强度显著变化的区域确定CR位置。
通过上述具体实验方案最终可获得待测样品材料的温度分布图，选择灵敏的光电探测器的同时优化光学方案可在1μm3的体积内实现10mK/Hz1/2的温度测量精度，构建了高灵敏度的集成光学量子温度计(参照图3)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种纳米级分辨率集成光学量子温度计，其特征在于，所述集成光学量子温度计达到纳米级空间分辨率，其结构包括分光检测装置和量子温度感应腔；
分光检测装置包括微型激光发射器(1)、半反半透镜(2)、第一支撑架、传输光纤(10)、滤光器(11)、聚焦透镜(12)、光电探测器(13)、上位机接线(14)和上位机(15)，所述微型激光发射器(1)用于发射入射激光(16)至量子温度计；所述半反半透镜(2)用于将入射激光(16)与SiC晶体自旋中心所发出的光信号(17)进行分离；所述第一支撑架用于支撑半反半透镜(2)；所述传输光纤(10)用于传输SiC晶体自旋中心所发出的光信号(17)；所述滤光器(11)用于过滤光信号中的干扰光；所述聚焦透镜(12)用于光信号的聚焦；所述光电探测器(13)将聚焦所得的光信号转化为电信号；所述上位机接线(14)用于连接光电探测器(13)与上位机(15)；所述上位机(15)用于记录并显示光电探测器(13)所得电信号；
量子温度感应腔包括第二支撑架、压电元件(4)、扫描台(5)、通电线圈(6)、底座(7)、SiC晶体(8)和物镜(9)，所述第二支撑架用于支撑物镜(9)；所述通电线圈(6)用于通电产生穿透SiC晶体板的磁场；所述底座(7)用于为通电线圈提供电源并连通低频发生器提供频率调制；所述物镜(9)用于记录SiC晶体自旋亮中心被激发时所发出的光致发光强度变化；
所述SiC晶体(8)在通电线圈通电下产生穿透SiC晶体的磁场，并通过低频发生器进行频率调制，在805nm波长激光激发下，S＝3/2自旋亮中心与S＝1自旋暗中心两者自旋能级能量差异重合产生交叉弛豫现象，根据SiC晶体产生交叉弛豫现象时其光致发光强度显著变化的物理现象，测量当前温度交叉弛豫现象位置对应的磁场强度，在温度变化为1mK时，会导致数nT的磁场频移变化，在其他条件不变的情况下改变温度，确定不同温度分别对应的交叉弛豫现象位置并测量其磁场强度，构建磁场中交叉弛豫现象位置与温度的校准曲线；
所述SiC晶体(8)表面的自旋中心与待测样品材料进行热接触，测量交叉弛豫现象位置的磁场，通过已知的校准曲线确定光致发光激发区域中的温度，通过扫描样品表面待测样品材料的温度分布图。
2.根据权利要求1所述的纳米级分辨率集成光学量子温度计，其特征在于：所述压电元件(4)与扫描台(5)构成宏/微驱动定位平台，其包括基底、宏动Y平台及宏动X平台，宏动Y平台由双压电马达驱动、宏动X平台由单压电马达驱动，均由精密交叉滚子导轨实现运动导向，且均通过一套高精密光栅系统实现位移检测反馈，用于获得纳米级的空间分辨率。
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