CN110133545A - 一种基于nv色心的光纤磁场传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于NV色心的光纤磁场传感系统，包括测量探头和测量装置两部分，所述测量探头包括多模光纤、金属套管、金刚石NV色心和镀反射膜的光纤切片；多模光纤的一端设有填充金刚石NV色心的微腔，微腔为F‑P腔型，金属套管套设在多模光纤的设有微腔的一端，金属套管的一端和微腔的一端对齐；镀反射膜的光纤切片的一端和所述微腔的一端固定连接，镀反射膜的光纤切片的另一端镀有反射膜。本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，将金刚石NV色心封装在F‑P腔内，采用光环形器、光隔离器等器件提高系统的集成化和稳定性；采用全光学磁场测量技术，可以广泛应用于特殊环境下，不会受到电磁干扰。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其是涉及一种基于NV色心的光纤磁场传感系统。
背景技术
光信号在光纤中传播时，外界被测的物理量(如温度、压力、电磁场、振动、核辐射等)将引起光纤中光信号特征参量(光强、波长、相位、偏振态等)的变化。通过检测光信号特征参数变化，可求出待测物理量。随着科学技术的不断发展，光纤传感器已经广泛应用于位移、应变、振动、温度、压力和磁场等领域。相比于其它传感技术而言，光纤传感器具有本质无源、抗电磁干扰、可远距离传输和分布式测量等诸多优势。
弱磁场测量在基础科学研究和工业生产都有重要地位，例如医疗检查、半导体芯片生产、军事设备等都离不开对弱磁场的测量。目前常用的弱磁场测量技术主要有超导量子干涉仪、霍尔磁强计、质子磁力仪等，这些现有技术往往存在设备工作时需要低温环境、核心器件结构复杂、体积较大、设备成本高等问题。例如超导量子干涉仪具有灵敏度高的优点，但其空间分辨率较低，此外在工作时还需液氦/液氮来维持低温环境；霍尔磁强计的灵敏度较低，易受环境温度影响等。
现有基于光纤的磁场测量技术，通常采用对光纤光栅、F-P腔(Fabry-Perotcavity)镀磁致形变材料来实现的。在磁场作用下，磁致形变材料发生形变导致光纤内光信号的波长、相位等改变，通过分析光信号得到磁场信息，但添加的磁致形变材料会产生磁性颗粒污染问题。
近年来，基于NV色心技术的磁探测技术引起了科研人员的关注。以金刚石中的NV色心(nitrogen-vacancy center)为载体，通过对其量子态调控实现磁场的测量，但现有的基于NV色心的磁探测技术往往是采用共聚焦显微镜平台实现的，具有灵敏度高的特点，但也导致仪器体积较大、无法多点测量等问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提出一种基于NV色心的光纤磁场传感系统，通过将金刚石NV色心3封装在F-P腔内，采用光环形器、光隔离器等器件提高系统的集成化和稳定性；解决现有弱磁场探测技术对探测环境的依赖，如温度、电磁干扰等；实现测量探头小型化、具有较高的空间分辨率的同时，且便于加工生产；实现对弱磁场的远距离、多点式测量。
本发明采用的技术方案是：
一种基于NV色心的光纤磁场传感系统，包括测量探头和测量装置两部分，所述测量探头包括多模光纤、金属套管、金刚石NV色心和镀反射膜的光纤切片；所述多模光纤的一端设有填充所述金刚石NV色心的微腔，所述微腔为F-P腔型，所述金刚石NV色心为颗粒状或为所述微腔大小的块状金刚石NV色心；所述镀反射膜的光纤切片的一端和所述微腔的一端固定连接，所述镀反射膜的光纤切片的另一端镀有反射膜，所述金属套管套设在所述多模光纤的设有所述微腔的一端，所述金属套管的一端和所述微腔的的靠近所述镀反射膜的光纤切片的一端对齐。
本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其中，所述测量装置包括工控机、激光器、光隔离器、光环形器、通信光纤、光电探测器、微波源和天线，所述激光器、所述光隔离器、所述光环形器和所述光电探测器之间通过光纤依次连接，所述光环形器与所述光电探测器相连的一端尾纤内含滤光片或镀有滤光膜；所述工控机用于接收光电探测器信号和控制微波源，所述通信光纤的一端与所述光环形器连接，另一端与所述多模光纤的远离所述金刚石NV色心的一端连接；所述天线的一端与微波源连接，另一端与所述金属套管的靠近金刚石NV色心的一端连接。
本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其中，所述微腔为采用飞秒激光器在所述多模光纤的一端开设加工而成，整个腔体为长方体，截面为正方形。
本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其中，所述微腔的深度为55～65um，截面边长为38～42um。
本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其中，所述微腔为毛细套管，所述毛细套管的两端分别与多模光纤及镀反射膜的光纤切片的一端固定连接，所述毛细套管的管外径与多模光纤的外径相同。
本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其中，所述毛细套管的管内径为38～42um，长度为55～65um。
本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其中，所述测量装置还可以包括光开关，所述光开关的一端通过光纤和所述光环形器相连，另一端连接多路的通信光纤。
本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其中，所述激光器为532nm激光器。
本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其中，所述金属套管的管壁厚度为10～20um，所述金属套管由金属铜制备而成。
本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其中，所述镀反射膜的光纤切片和所述多模光纤通过焊接或者光学胶粘贴连接。
采用本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，将金刚石NV色心封装在F-P腔型内，将F-P腔的加工技术和基于金刚石NV色心磁探测相结合，并采用光环形器、光隔离器等器件提高系统的集成化和稳定性，可以实现光纤探测弱磁场的应用需求，其优点在于：
(1)本发明采用飞秒激光器加工光纤，将金刚石NV色心封装在F-P微腔内，既可以在保证磁场探测灵敏度的同时缩小了测量探头的体积，具有较高的空间分辨率，且便于加工和工业化生产。
(2)本发明的测量系统各主要部件通过光纤相连，便于提高系统的集成化，缩小系统体积，实现便携性测量。
(3)本发明的测量探头部分通过通信光纤和系统相连，可实现对弱磁场的远距离测量，此外通过光开关的加入可以实现磁场的多点式测量。
(4)本发明的光纤磁场传感系统，通过处理光学信号实现对磁场的探测，不会受到电磁干扰，且测量环境为室温，系统应用范围广。
本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，所述F-P腔型的深度为55～65um，截面边长为38～42um，如果腔体过大，光纤容易发生折断，如果腔体过小，则填充的NV色心较少，探测灵敏度较低。
附图说明
图1为实施例1中所述的测量探头的结构示意图；
图2为实施例2中所述的测量探头的结构示意图；
图3为本发明所述的测量装置的结构示意图；
图4为本发明中多点式测量装置的结构示意图。
下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例1
如图1、3和4所示，一种基于NV色心的光纤磁场传感系统，包括测量探头和测量装置两部分，所述测量探头包括多模光纤1、金属套管2、金刚石NV色心3和镀反射膜的光纤切片4；多模光纤1的一端设有填充金刚石NV色心3的微腔，所述微腔为F-P腔型，所述微腔的整个腔体为长方体，截面为正方形，所述微腔的深度为60um，截面边长为40um；所述微腔为采用飞秒激光器在多模光纤1的一端开设加工而成；金刚石NV色心3填充在所述微腔内，金刚石NV色心3为颗粒状或为所述微腔大小的块状金刚石NV色心；镀反射膜的光纤切片4的一端和多模光纤1的设有所述微腔的一端固定连接，镀反射膜的光纤切片4和多模光纤1通过焊接(或者光学胶粘贴)连接，镀反射膜的光纤切片4的另一端镀有反射膜；反光膜用于反射所述微腔内金刚石NV色心发出的荧光，镀反射膜的光纤切片4的两端面均光滑；金属套管2套设在多模光纤1的设有所述微腔的一端，金属套管2的一端和所述微腔的靠近镀反射膜的光纤切片4的一端对齐，金属套管2的管壁厚度为10～20um，金属套管2的长度大于所述微腔的长度，金属套管2由金属铜制备而成，金属套管2用于接收所述测量装置发出的微波；
所述测量装置包括工控机6、激光器7、光隔离器8、光环形器9、通信光纤10、光电探测器11、微波源12和天线13，激光器7为532nm激光器；激光器7、光隔离器8、光环形器9和光电探测器11之间通过光纤依次连接在一起，光环形器9与光电探测器11相连的一端尾纤内含滤光片或镀有滤光膜，可以滤掉532nm的反射激光，仅允许荧光通过；光隔离器8用于过滤反射回的532nm激光，防止对激光器7造成损害；光电探测器11接收返回的荧光信号；通信光纤10的一端与光环形器9连接，另一端与多模光纤1的远离金刚石NV色心3的一端相连；天线13的一端与微波源12连接，另一端与金属套管2的靠近金刚石NV色心3的一端连接；工控机6通过电线分别与激光器7、光电探测器11和微波源12连接，用于控制激光器7、光电探测器11和微波源12，激光器7发出532nm激光，通过光环形9和通信光纤10到达所述测量探头；工控机6通过软件控制微波源12，微波源12通过天线13和金属套管2相连，在工控机6的控制下实现金刚石NV色心3的自旋翻转。
所述测量装置还可以包括光开关14，光开关14受工控机6控制，光开关14的一端通过光纤和光环形器9相连，另一端可以连接多路的通信光纤10，可同时将激光器7发出的532nm激光传至多只所述测量探头。
实施例2
如图2、3和4所示，一种基于NV色心的光纤磁场传感系统，包括测量探头和测量装置两部分，所述测量探头包括多模光纤1、金属套管2、金刚石NV色心3和镀反射膜的光纤切片4，多模光纤1的一端设有填充金刚石NV色心3的微腔，所述微腔为F-P腔型，所述微腔为毛细套管5，金刚石NV色心3填充在毛细套管5内，金刚石NV色心3为颗粒状或为所述微腔大小的块状金刚石NV色心；毛细套管5的管内径为40um，长度为60um，毛细套管5的管外径与多模光纤1的外径相同，毛细套管5的两端通过焊接(或者光学胶粘合)分别与多模光纤1及镀反射膜的光纤切片4的一端固定连接，镀反射膜的光纤切片4的另一端镀有反射膜，反光膜用于反射微腔内金刚石NV色心发出的荧光，镀反射膜的光纤切片4的两端面均研磨光滑；金属套管2套设在多模光纤1的设有毛细套管5的一端，金属套管2的一端与所述微腔的靠近镀反射膜的光纤切片4的一端对齐，金属套管2的管壁厚度为10～20um，金属套管2的长度大于所述微腔的长度，金属套管2由金属铜制备而成，金属套管2用于接收所述测量装置发出的微波；
所述测量装置包括工控机6、激光器7、光隔离器8、光环形器9、通信光纤10、光电探测器11、微波源12和天线13，激光器7为532nm激光器；激光器7、光隔离器8、光环形器9和光电探测器11之间通过光纤依次连接在一起，光环形器9与光电探测器11相连的一端尾纤内含滤光片或镀有滤光膜，可以滤掉532nm的反射激光，仅允许荧光通过；光隔离器8用于过滤反射回的532nm激光，防止对激光器7造成损害；光电探测器11接收返回的荧光信号；通信光纤10的一端与光环形器9连接，另一端与多模光纤1的远离金刚石NV色心3的一端相连；天线13的一端与微波源12连接，另一端与金属套管2的靠近金刚石NV色心3的一端连接；工控机6通过电线分别与激光器7、光电探测器11和微波源12连接，用于控制激光器7、光电探测器11和微波源12，激光器7发出532nm激光，通过光环形9和通信光纤10到达所述测量探头；工控机6通过软件控制微波源12，微波源12通过天线13和金属套管2相连，在工控机6的控制下实现金刚石NV色心3的自旋翻转。
所述测量装置还可以包括光开关14，光开关14受工控机6控制，光开关14的一端通过光纤和光环形器9相连，另一端可以连接多路的通信光纤10，可同时将激光器7发出的532nm激光传至多只所述测量探头。
实施例1和2所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统的工作原理为：首先，通过微波源12发出的微波脉冲将金刚石NV色心3自旋翻转；然后激光源7发出的532nm激光对金刚石NV色心3的能级进行初始化，在外磁场的作用下，金刚石NV色心3将发出波长600nm-800nm的荧光；荧光通过所述滤光膜时将会滤除其它波段的光后，被光电探测器11收集处理；磁场强度和金刚石NV色心的相对相位有关，而相对相位可以转化为测量荧光信号强度，因此，通过测量荧光信号强度实现对磁场在金刚石NV色心3的轴向投影的强度测量；
对于磁场的矢量信息的测量，可选择多个不同轴向的金刚石NV色心3进行测量，从而得到磁场不同轴向的分量，结合矢量合成法则得到磁场矢量信息；此外，通过使用光开关14，一套测量装置可以连接多个所述测量探头，实现同时同时测量多处磁场强度信息的功能。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于NV色心的光纤磁场传感系统，其特征在于：包括测量探头和测量装置两部分，所述测量探头包括多模光纤(1)、金属套管(2)、金刚石NV色心(3)和镀反射膜的光纤切片(4)；所述多模光纤(1)的一端设有填充所述金刚石NV色心(3)的微腔，所述微腔为F-P腔型，所述金刚石NV色心(3)为颗粒状或为所述微腔大小的块状金刚石NV色心；所述镀反射膜的光纤切片(4)的一端和所述微腔的一端固定连接，所述镀反射膜的光纤切片(4)的另一端镀有反射膜，所述金属套管(2)套设在所述多模光纤(1)的设有所述微腔的一端，所述金属套管(2)的一端和所述微腔的的靠近所述镀反射膜的光纤切片(4)的一端对齐。
2.根据权利要求1所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其特征在于：所述测量装置包括工控机(6)、激光器(7)、光隔离器(8)、光环形器(9)、通信光纤(10)、光电探测器(11)、微波源(12)和天线(13)，所述激光器(7)、所述光隔离器(8)、所述光环形器(9)和所述光电探测器(11)之间通过光纤依次连接，所述光环形器(9)与所述光电探测器(11)相连的一端尾纤内含滤光片或镀有滤光膜；所述工控机(6)用于接受光电探测器(11)信号和控制微波源(12)，所述通信光纤(10)的一端与所述光环形器(9)连接，另一端与所述多模光纤(1)的远离所述金刚石NV色心(3)的一端连接；所述天线(13)的一端与微波源(12)连接，另一端与所述金属套管(2)的靠近金刚石NV色心(3)的一端连接。
3.根据权利要求1所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其特征在于：所述微腔为采用飞秒激光器在所述多模光纤(1)的一端开设加工而成，整个腔体为长方体，截面为正方形。
4.根据权利要求3所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其特征在于：所述微腔的深度为55～65um，截面边长为38～42um。
5.根据权利要求1所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其特征在于：所述微腔为毛细套管(5)，所述毛细套管(5)的两端分别与多模光纤(1)及镀反射膜的光纤切片(4)的一端固定连接，所述毛细套管(5)的管外径与多模光纤(1)的外径相同。
6.根据权利要求5所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其特征在于：所述毛细套管(5)的管内径为38～42um，长度为55～65um。
7.根据权利要求2所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其特征在于：所述测量装置还可以包括光开关(14)，所述光开关(14)的一端通过光纤和所述光环形器(9)相连，另一端连接多路的通信光纤(10)。
8.根据权利要求2所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其特征在于：所述激光器(7)为532nm激光器。
9.根据权利要求1所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其特征在于：所述金属套管(2)的管壁厚度为10～20um，所述金属套管(2)由金属铜制备而成。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其特征在于：所述镀反射膜的光纤切片(4)和所述多模光纤(1)通过焊接或者光学胶粘贴连接。
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