CN110940649A - 一种基于倍频的宽频odmr信号探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，包括：微波发生器、微波开关(含负载)、倍频放大装置组、PCB板(含样品材料)、电磁铁、共聚焦光路装置组、单光子探测器、数据采集卡、计算机(含时序卡)。通过微波发生器、微波开关和倍频放大装置组提供微波序列，通过共聚焦光路装置组提供泵浦光并收集荧光信号，荧光信号依次进入单光子探测器、数据采集卡、计算机，从而实现样品材料的ODMR信号探测。目前市面上微波发生器的输出频率以及微波开关的工作频率与工作模式无法满足宽频段ODMR信号探测的需求，本发明基于倍频放大装置组，可实现500MHz‑10GHz的宽频ODMR信号探测，具有可探测ODMR信号频率范围大、材料种类多、适用性广、可扩展性强等特点。

Description

一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置
技术领域
本发明涉及量子光学领域，具体涉及一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其为利用倍频技术实现的、具有宽频段性的、可探测材料种类多的ODMR(光学探测磁共振)信号探测技术。
背景技术
ODMR指光学探测磁共振(Optically Detected Magnetic Resonance)，基本原理是通过探测微波信号与样品材料劈裂能级共振时的样品荧光强弱变化程度，从而探测荧光色心的自旋能级结构。下面先以被研究最多的金刚石NV色心为例来进一步说明。
图2为金刚石NV色心的ODMR原理图(Eur.Phys.J.D(2015)69:166.)。如图2-b和图2-c，NV色心存在两个自旋三重态能级，分别为基态F和激发态E，每个能级又根据电子自旋分裂为ms＝0和ms＝±1两个能级，其中ms＝±1在无磁场时为简并能级，但在有外磁场作用下会产生塞曼效应从而能级劈裂为ms＝+1和ms＝-1两个能级。这里所说的外磁场可能来自于实验者主动所加的磁场，也可能来自地磁场等外界噪声，因此ms＝±1一般而言都会产生小的劈裂，而这一劈裂在主动外加磁场下变得更加明显。另外值得强调的一点是，如图2-a所示，能产生塞曼劈裂的磁场是平行于N-V轴的磁场分量。
当给NV色心加一泵浦光(532nm)时，载流子从基态的ms＝0激发到某一高能级态(绿色箭头)，进而无辐射跃迁回激发态的ms＝0(黑色箭头)，接着跃迁回基态ms＝0并发出荧光(红色箭头)。同样地，对于激发态ms＝±1和基态ms＝±1之间也有类似的循环，不过由于NV色心还存在一个亚稳态M，而ms＝±1能级与亚稳态M有着比ms＝0与亚稳态M更强的耦合作用，所以当载流子处于激发态ms＝±1时，有着较大概率进行无辐射跃迁到亚稳态M(黑色箭头)，从而减少了ms＝±1循环的荧光发光强度。因此ms＝±1循环的荧光发光强度要比ms＝0循环弱很多，这样当给NV色心加一频率为v0＝2.88GHz的微波使基态ms＝0和基态ms＝±1产生共振，从而使ms＝0和ms＝±1的载流子布居数出现变化，也就改变了ms＝0和ms＝±1循环的载流子数目，从而整体发出的荧光强度也会出现变化。
不过当考虑到加上外磁场后，ms＝±1能级产生劈裂，共振微波频率不再是2.88GHz，而变成与外磁场大小有关的以2.88GHz为中心值的两个共振频率。例如NV色心塞曼劈裂约为28MHz/mT，所以外磁场的N-V平行分量为10mT时ODMR共振频率为2.88GHz±0.28GHz即2.60GHz和3.16GHz。实验中改变输入微波信号的频率大小，探测样品材料发出的荧光强度是否出现了变化从而判断是否产生共振，再根据共振频率的大小推算出外磁场大小，这就是光学探测磁共振。
下面再讨论六方氮化硼(hBN)的ODMR。
图3为文献给出的hBN的某种缺陷能级结构示意图(arXiv:1906.03774(2019))，同样地，通过加微波信号使得载流子布居数在两个发光循环中重新分布，从而改变荧光强度，对于hBN来说其共振中心波长约为3.48GHz。
图4和图5为文献中理论预言的hBN缺陷能级结构图(Phys.Rev.B97,064101(2018))，文中一共给出了9中理论上可能的缺陷结构与能级，其中图4代表的VBCN型缺陷能级存在基态三重态结构，且能级差为7.15GHz，故这种缺陷能级可以产生中心频率7.15GHz的ODMR信号。图5代表的VNCB型缺陷能级存在亚稳态三重态结构，能级差为8.6GHz，故这种缺陷能级可以产生中心频率8.6GHz的ODMR信号。这些色心缺陷可以用作量子比特、用于量子存储等重要的量子计算领域。但这两种缺陷均超出了未倍频的ODMR探测频率上限5GHz，可见高频ODMR信号的探测手段是必需的。
进一步地，以上提到的ODMR信号频率范围就有从金刚石NV色心的2.88GHz到hBN的8.6GHz之广，将来还会有更多的未知材料或者已知材料的未知缺陷能级，它们的能级结构我们未知，可能的ODMR信号频率未知，因此一个宽频的ODMR探测手段极其重要，有助于我们系统地探测某种材料的ODMR信号。
发明内容
(一)要解决的问题
本发明要解决的技术问题是使用现有的微波发生器和微波开关将无法探测较宽频率范围的ODMR信号，从而可探测的材料种类和材料ODMR信号种类有限。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，包括一个微波发生器、一个微波开关、一个倍频放大装置组、一个PCB板、一个电磁铁、一个共聚焦光路装置组、一个单光子探测器、一个数据采集卡和一个计算机；
所述微波发生器用于发出微波信号；
所述微波开关含负载，所述微波开关用于接受微波信号，并根据计算机发出的时间序列选择是否传递微波信号；
所述倍频放大装置组由前置放大器A1、倍频元件、后置放大器A2组成，微波信号经A1放大后进入倍频元件，倍频后再经A2二次放大；
所述PCB板用于承载待测样品材料，并把接入的微波信号加在样品材料上；
所述电磁铁用于给样品材料提供磁场，从而产生塞曼效应能级劈裂；
所述共聚焦光路装置组由一个532nm激光器、一个光耦合器、两个滤波片、一个分束器、一个物镜组成，激光器产生泵浦光经滤光片、分束器和物镜聚焦在PCB板的样品材料上，样品产生的受到微波信号调制的荧光经物镜、分束器返回至另一路再经滤光片进入耦合器；
所述单光子探测器用于探测共聚焦光路装置组传递的荧光信号；
所述数据采集卡用于根据时间序列对单光子探测器探测到的光子进行计数；
所述计算机含时序卡，所述计算机用于一方面产生时间序列给微波开关和数据采集卡，一方面接收数据采集卡的计数结果。
根据本发明的具体实施方式，微波发生器品牌型号为Mini-Circuits的SSG-6000RC，输出频率范围为25MHz-6000MHz；微波开关品牌型号为Mini-Circuits的ZASWA-2-50DRA+，工作频率为DC-5000MHz；前置放大器A1品牌型号为Mini-Circuits的ZX60-6013E+，工作频率为20MHz-6000MHz；倍频元件品牌型号为Mini-Circuits的CY2-143+，输入频率为2000MHz-7000MHz，输出频率为4000MHz-14000MHz；后置放大器A2品牌型号为Mini-Circuits的ZVA-183G+，工作频率为500MHz-18000MHz。因此通过倍频放大装置，可探测的ODMR信号范围由25MHz-5000MHz变为了4000MHz-10000MHz；另一方面如果微波开关不接入倍频元件，而通过非倍频放大线路直接接入放大器A2，便可以获得500MHz-5000MHz的微波信号输出，从而整体实现了500MHz-10000MHz的宽频ODMR信号探测。
根据本发明的具体实施方式，通过把样品材料放在所述PCB电路板上，实现对样品材料的微波信号输入；通过所述电磁铁实现对样品材料的磁场加持，实现样品材料的塞曼效应能级劈裂。
根据本发明的具体实施方式，所述共聚焦光路装置可以在样品材料上定点泵浦激发荧光、定点收集荧光。
根据本发明的具体实施方式，所述共聚焦光路装置中的分束器主要透射泵浦光、反射信号荧光；滤光片1主要透射泵浦光、反射信号荧光；滤光片2主要透射信号荧光，反射泵浦光。
根据本发明的具体实施方式，通过所述单光子探测器和所述数据采集卡实现信号荧光的强度探测。
根据本发明的具体实施方式，所述计算机向所述微波开关发出开关时间序列，正电平记为on，负电平记为off。
根据本发明的具体实施方式，所述微波开关收到on时把微波信号传递给后续所述倍频放大装置组，收到off时把微波信号丢入负载中舍弃。
根据本发明的具体实施方式，所述计算机发出的时间序列信号为on时，所述PCB板上的样品材料发出的信号荧光强度受到微波信号调制；所述计算机发出的时间序列信号为off时，所述PCB板上的样品材料发出的信号荧光强度不受微波信号调制。
根据本发明的具体实施方式，所述数据采集卡分别统计时间序列信号为on和off时的两组计数数据，通过多次计数比较on与off时的荧光信号强度差距。
(三)有益效果
本发明和现有ODMR信号探测装置相比具有如下优点：
本发明实现了500MHz-10000MHz的宽频ODMR信号探测，从而可以系统地探测更多种类的材料(金刚石NV色心、hBN等)和某种材料更多种缺陷能级(如hBN的8.6GHz)的ODMR信号。
相比较于结合使用低频段和高频段和微波发生器，本发明巧妙通过倍频直接实现从较低的500MHz到较高的10000MHz的宽频段探测。另一方面市面上可以用数字信号控制而非机械控制的微波开关频率上限均有限，例如我们要求时间序列为100us的on和100us的off周期信号，可用的微波开关switch工作频率上限为5000MHz。因此本发明具有巧妙实用而且成本低的特点。
进一步地，把倍频元件拓展成三倍频、四倍频等元件，可以实现更宽范围的ODMR信号探测，因此本发明还具有可扩展性的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明实施例的具体线路图；
图2为金刚石NV色心的ODMR原理图(Eur.Phys.J.D(2015)69:166.)；
图3为hBN的某种缺陷能级结构示意图(arXiv:1906.03774(2019))；
图4为理论预言的hBN的某种VBCN型缺陷能级结构图(Phys.Rev.B97,064101(2018))；
图5为理论预言的hBN的某种VNCB型缺陷能级结构图(Phys.Rev.B97,064101(2018))；
图6为图3表示的hBN缺陷能级的ODMR信号对比度和微波频率的实验关系图；
图7为探测微波倍频信号所使用的线路图；
图8为频谱分析仪测得的4GHz基频信号峰；
图9为频谱分析仪测得的8GHz倍频信号峰；
图10为倍频信号功率与倍频频率的实验关系图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明一实施例提供的一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置示意图如图1所示，包括一个微波发生器、一个微波开关(含负载)、一个倍频放大装置组、一个PCB板(含待测样品材料)、一个电磁铁、一个共聚焦光路装置组、一个单光子探测器、一个数据采集卡和一个计算机(含时序卡)；所述微波发生器用于发出微波信号；所述微波开关用于接受微波信号，并根据计算机发出的时间序列选择是否传递微波信号；所述倍频放大装置组由前置放大器A1、倍频元件、后置放大器A2组成，微波信号经A1放大后进入倍频元件，倍频后再经A2二次放大；所述PCB板用于承载待测样品材料，并把接入的微波信号加在样品材料上；所述电磁铁用于给样品材料提供磁场，从而产生塞曼效应能级劈裂；所述共聚焦光路装置组由一个532nm激光器、一个光耦合器、两个滤波片、一个分束器、一个物镜组成，激光器产生泵浦光经滤光片、分束器和物镜聚焦在PCB板的样品材料上，样品产生的荧光(受到微波信号调制)经物镜、分束器返回至另一路再经滤光片进入耦合器；所述单光子探测器用于探测共聚焦光路装置组传递的荧光信号；所述数据采集卡用于根据时间序列对单光子探测器探测到的光子进行计数；所述计算机用于一方面产生时间序列给微波开关和数据采集卡，一方面接收数据采集卡的计数结果。
本具体实施例将探测图3给出的hBN缺陷能级的ODMR信号。输入到样品材料上的微波频率从3000MHz扫描到4000MHz，间隔2MHz，对于每一个微波频率收集样品的荧光强度信号。时序卡产生的时间序列为100us的on和100us的off周期信号，数据采集卡在每个on和每个off时各测一次荧光强度，一共在1s的时间内测5000个on信号和5000个off信号，然后计算C＝(Σoff-Σon)/(Σoff)，即所有off信号测得的荧光强度求和减去所有on信号测得的荧光强度求和再除以所有off信号测得的荧光强度求和，该表达式代表了ODMR信号的对比度。若C＝0即表示on和off时样品材料的荧光强度没有区别，也就没有ODMR信号；C越大则表示on和off时荧光强度差别越大，则ODMR信号越明显。在常温、无外加电磁场下测得每个微波频率对应的ODMR对比度数据，以微波频率(MHz)为横坐标，以每个微波频率测得的ODMR信号对比度为纵坐标，画出散点图并拟合，结果为图6所示。可见有两个ODMR信号峰，用洛伦兹线型拟合出两个峰的中心频率分别为v1＝3424.1923MHz±0.63093MHz和v2＝3545.15388MHz±0.80282MHz，则(v1+v2)/2＝3484.67309MHz±0.716875MHz，符合理论的中心频率为3.48GHz。
这里本具体实施例再给出所述倍频放大装置组产生的微波倍频信号的探测，从而说明所述倍频放大装置组的真实性和有效性。探测微波倍频信号所使用的线路图如图7所示，微波倍频信号从后置放大器A2出来后接入衰减器和频谱分析仪进行频谱分析，所述衰减器是为了频谱分析仪的功率匹配。以基频信号4GHz、倍频信号8GHz为例，微波发生器产生4GHz的信号，经倍频后进入频谱分析仪，测得的4GHz基频信号峰和8GHz倍频信号峰如图8、图9所示。另一方面，通过改变基频频率，用频谱分析仪测得不同频率下的倍频信号强度，再考虑到已知的衰减器的功率衰减倍数(不同频率的衰减倍数不同，有15dBm到30dBm不等)，换算得到后置放大器A2出来的倍频信号强度，也就是直接加持在样品材料上的微波倍频信号强度。以倍频频率(GHz)为横坐标，以换算后的倍频信号功率(dBm)为纵坐标，画出关系图为图10，可见虽在高频区域有所衰减但仍具有可观的倍频信号。因此本发明可应用于8.6GHz和7.15GHz对应的hBN缺陷以及多种其他固态缺陷能级探测中。

Claims (10)

1.一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：包括一个微波发生器、一个微波开关、一个倍频放大装置组、一个PCB板、一个电磁铁、一个共聚焦光路装置组、一个单光子探测器、一个数据采集卡和一个计算机；
所述微波发生器用于发出微波信号；
所述微波开关含负载，所述微波开关用于接受微波信号，并根据计算机发出的时间序列选择是否传递微波信号；
所述倍频放大装置组由前置放大器A1、倍频元件、后置放大器A2组成，微波信号经A1放大后进入倍频元件，倍频后再经A2二次放大；
所述PCB板用于承载待测样品材料，并把接入的微波信号加在样品材料上；
所述电磁铁用于给样品材料提供磁场，从而产生塞曼效应能级劈裂；
所述共聚焦光路装置组由一个532nm激光器、一个光耦合器、两个滤波片、一个分束器、一个物镜组成，激光器产生泵浦光经滤光片、分束器和物镜聚焦在PCB板的样品材料上，样品产生的受到微波信号调制的荧光经物镜、分束器返回至另一路再经滤光片进入耦合器；
所述单光子探测器用于探测共聚焦光路装置组传递的荧光信号；
所述数据采集卡用于根据时间序列对单光子探测器探测到的光子进行计数；
所述计算机含时序卡，所述计算机用于一方面产生时间序列给微波开关和数据采集卡，一方面接收数据采集卡的计数结果。
2.根据权利要求1所述的基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：微波发生器品牌型号为Mini-Circuits的SSG-6000RC，输出频率范围为25MHz-6000MHz；微波开关品牌型号为Mini-Circuits的ZASWA-2-50DRA+，工作频率为DC-5000MHz；前置放大器A1品牌型号为Mini-Circuits的ZX60-6013E+，工作频率为20MHz-6000MHz；倍频元件品牌型号为Mini-Circuits的CY2-143+，输入频率为2000MHz-7000MHz，输出频率为4000MHz-14000MHz；后置放大器A2品牌型号为Mini-Circuits的ZVA-183G+，工作频率为500MHz-18000MHz，因此通过倍频放大装置，可探测的ODMR信号范围由25MHz-5000MHz变为了4000MHz-10000MHz；另一方面如果微波开关不接入倍频元件，而通过非倍频放大线路直接接入放大器A2，便可以获得500MHz-5000MHz的微波信号输出，从而整体实现了500MHz-10000MHz的宽频ODMR信号探测。
3.根据权利要求1所述的基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：通过把样品材料放在所述PCB电路板上，实现对样品材料的微波信号输入；通过所述电磁铁实现对样品材料的磁场加持，实现样品材料的塞曼效应能级劈裂。
4.根据权利要求1所述的基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：所述共聚焦光路装置可以在样品材料上定点注入泵浦光、定点收集荧光。
5.根据权利要求1所述的基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：所述共聚焦光路装置中的分束器主要透射泵浦光、反射信号荧光；滤光片1主要透射泵浦光、反射信号荧光；滤光片2主要透射信号荧光，反射泵浦光。
6.根据权利要求1所述的基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：通过所述单光子探测器和所述数据采集卡实现信号荧光的强度探测。
7.根据权利要求1所述的基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：所述计算机向所述微波开关发出开关时间序列，正电平记为on，负电平记为off。
8.根据权利要求1所述的基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：所述微波开关收到on时把微波信号传递给后续所述倍频放大装置组，收到off时把微波信号丢入负载中舍弃。
9.根据权利要求1所述的基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：所述计算机发出的时间序列信号为on时，所述PCB板上的样品材料发出的信号荧光强度受到微波信号调制；所述计算机发出的时间序列信号为off时，所述PCB板上的样品材料发出的信号荧光强度不受微波信号调制。
10.根据权利要求1所述的基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：所述数据采集卡分别统计时间序列信号为on和off时的两组计数数据，通过多次计数比较on与off时的荧光信号强度差距。
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