CN111239653A - 基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置以及成像方法，自旋操控光源模块提供一束入射激光，经过二向色镜系统，在显微镜物镜聚焦后照射到金刚石探针的NV色心上，NV色心产生的荧光通过显微镜物镜返回二向色镜系统，进入荧光探测模块；偏振光发生模块产生偏振光，经过二向色镜系统的透射和/或反射，进入显微镜物镜，然后照射到放置在位移台的样品上，偏振光经过样品反射后，部分再次进入显微镜物镜，然后经过二向色镜系统，进入偏振光检测及成像模块。本发明通过兼容性设计，从而实现对样品的高分辨率、全局和大视野成像。

Description

基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置及成像方法

技术领域：

本发明属于磁性材料和磁场测量的技术领域，具体涉及一种基于金刚石NV色心和磁光克尔效应(本申请亦称为克尔效应)的磁成像装置和方法。可用于对材料进行高空间分辨率和全局的磁性成像，在物理、材料、电子和工业检测领域具有重要应用价值。

背景技术：

对于磁性材料的磁化状态的测量，在物理学、材料学、电子学以及工业生产中都具有重要意义。近些年，出现了一种利用金刚石中氮-空位色心(以下简称NV色心)的磁性测量方法。其原理是以带有NV色心的金刚石作为探针前端，置于待测样品附近。NV色心在样品漏磁场的作用下，自旋状态受磁场影响发生塞曼能级劈裂。利用微波操控自旋，并用激光激发跃迁后，通过观察和分析NV色心辐射的荧光数据，能够探测微小的磁场信号。通过高精度位移台来移动样品，可以实现对样品不同位置的表面漏磁场的探测，从而实现样品磁化状态的扫描成像。得益于NV色心的微小体积和高精度，此方法可以实现纳米级别的空间分辨率的磁性成像。但是，此方法无法实现全局同步成像，且通过扫描方式对较大面积的目标进行成像需要花费较长时间，因此检测尺寸也较小。磁光克尔成像技术是一种利用磁光克尔效应对样品进行成像的技术，可以对样品进行全局成像，成像范围较大，可以达到数百微米到数毫米的量级，但是由于光学衍射等原因，磁光克尔显微镜成像的分辨率很难优于200nm。磁光克尔成像与基于NV色心的成像在原理上不同，其光学系统和操作方法也不同，因此，传统的设备和成像方法无法实现两种成像技术的兼容。

现有技术方案中，基于NV色心的磁场测量技术虽然具有高空间分辨率的特性，理论上能够达到几纳米的级别，但是基本上都是基于单点扫描的来实现对磁性样品进行磁化状态的成像。不但无法实现同步的全局成像，而且扫描较大面积的样品表面需要耗费较长的时间；而磁光克尔成像能够实现全局的时间同步成像，成像视野较宽，可以达到上百微米到几毫米。但是成像分辨率受限于光学衍射，一般不会优于200nm。

由于基于金刚石NV色心的成像系统的光路为共聚焦光路，与磁光克尔显微成像系统配置、原理和操作方法均不同，无法在以传统的方式在同一个光路上对两种成像技术进行实现。

发明内容：

为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提出一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置以及成像方法，通过兼容性设计，能够将以上两种磁性测量方法在同一装置实现，从而实现对样品的高分辨率、全局和大视野成像。所谓高分辨率是指空间成像分辨率高于普通的光学显微分辨率极限，即分辨率优于200nm。

为实现上述发明目的，本申请具体采用以下技术方案。

一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，所述装置包括自旋操控光源模块1、偏振光发生模块2、荧光探测模块3、偏振光检测及成像模块4、显微镜物镜5、带有NV色心的金刚石探针9、NV色心探针臂10、微波发射装置12、位移台13；其特征在于：

所述自旋操控光源模块1用于提供一束入射激光，经过二向色镜系统，使激光经过二向色镜透射和/或反射，在显微镜物镜5聚焦后，照射到金刚石探针9的NV色心上，所述带有NV色心的金刚石探针9通过NV色心探针臂10夹持；

微波发射装置12靠近金刚石探针9的NV色心一侧设置，用于发射电磁脉冲序列，对NV色心的自旋状态进行操控；

所述金刚石探针9的NV色心产生的荧光通过显微镜物镜5返回二向色镜系统，通过二向色镜系统透射和/或反射，进入荧光探测模块3；

所述偏振光发生模块2用于产生具有线偏振性质的光即偏振光，所述偏振光经过二向色镜系统的透射和/或反射，进入显微镜物镜5，然后照射到放置在位移台13的样品11上，偏振光经过样品反射后，部分再次进入显微镜物镜5，然后经过二向色镜系统透射和/或反射后，进入偏振光检测及成像模块4。

本发明进一步包括以下优选技术方案：

所述二向色镜系统包括第一二向色镜6、第二二向色镜7、第三二向色镜8；

所述第一二向色镜6、第二二向色镜7、第三二向色镜8按照以下方式进行配置：

所述第二二向色镜7倾斜设置在自旋操控光源模块1发出的入射激光和所述偏振光发生模块2发出的偏振光两光路相交位置处，能将入射激光透射或反射，将偏振光反射或透射，并且使得入射激光以及偏振光在经所述第二二向色镜7透射或反射后的光路一致；

所述第一二向色镜6设置在显微镜物镜5上方，并且能够接收第二二向色镜7透射或反射后激光或偏振光，将激光或偏振光反射进入显微镜物镜5；

所述第三二向色镜8设置在第一二向色镜6和荧光探测模块3之间，能够使偏振光经过样品反射后依次经过显微镜物镜5、第一二向色镜6后将其反射进入偏振光检测及成像模块4，同时能够使NV色心发射的荧光经过物镜5、第一二向色镜6和第三二向色镜8的透射，进入荧光探测模块3。

所述自旋操控光源模块1由激光源1a、光纤(1b，1d)、光调制器1c、光纤耦合器1e和第一凸透镜1f组成；

光调制器1c用来控制自旋操控光源模块1中光的通断，

当光调制器1c为光纤耦合型调制器，则激光源1a、光调制器1c、光纤耦合器1e通过光纤按照前后顺序顺次连接，第一凸透镜1f置于光纤耦合器1e的后端，将入射激光聚焦到二向色镜系统；

当光调制器1c为自由空间光调制器，则激光源1a、光纤耦合器1e、通过光纤连接，光调制器1c和第一凸透镜1f置于光纤耦合器1e的后端，光调制器1c和第一凸透镜1f顺序能够对调；调制后的激光入射进入二向色镜系统。

将自旋操控光源模块1的全部或者其中部分元件置于调整架上，用于调整入射光的方向，使得自旋操控光源模块1发出的激光通过显微镜物镜5后聚焦于金刚石探针9的NV色心。

自旋操控光源模块1提供的入射激光为单色光源，波长范围介于500nm-600nm之间，光源能够进行脉冲调制。

所述偏振光发生模块2由的光源2a、第二凸透镜2b和偏振器2c构成；

其中，光源2a可以选择但不限于LED灯、汞灯、氙气灯、通过光纤耦合输出的光；所述偏振器2c是指非偏振光透过此元件后能够成为线偏振光的装置；

所述光源2a置于前侧，后侧的第二凸透镜2b和偏振器2c的位置能够对调；也可以将第二凸透镜2b和偏振器2c直接与光源2a集成，成为线偏振光源。

所述偏振光发生模块2产生的具有线偏振性质的光，其波长介于为300nm-530nm之间。

所述荧光探测模块3由第一滤波片3a、光纤耦合器3b、光纤3c、第一光电探测器3d构成；

金刚石探针9的NV色心产生的荧光进入第一滤波片3a后，再通过光纤耦合模块3b收集进光纤3c后，进入第一光电探测器3d，通过光电探测器3d将光信号转化为电信号。

所述荧光探测模块3由第二滤波片3f、光阑3g和第二光电探测器3h组成；

其中，第二滤波片3f和光阑3g可以对调；金刚石探针9的NV色心产生的荧光进入荧光探测模块3后，正好聚焦于光阑3g的通光孔并透过，被第二光电探测器3h接收，其它干扰光被光阑3g屏蔽。

其中，第一滤波片3a和第二滤波片3f是指通带介于540nm-1000nm之间的滤波装置，用于过滤掉自旋操控光源模块1发射并经过光路反射进入荧光探测模块3的光，只让NV色心因为自旋状态改变而发射的荧光透射过滤波片。

所述荧光探测模块3全部或者其中部分元件置于调整架上，用于调整光纤耦合器3b或者光阑3g位置，NV色心发射的荧光经过物镜5后，正好聚焦于光纤耦合器3b入口处，或者聚焦于光阑3g小孔处，被第一光电探测器3d或第二光电探测器3h探测。

所述偏振光检测及成像模块4包括检偏器4a、相机4d，通过检偏器4a对光束的偏振状态进行检测并借用相机4d进行成像；

所述检偏器4a是指线偏振器，所述检偏器4a为但不限于以下的任一种：

薄膜偏振器或者格兰泰勒棱镜，或者格兰汤普森棱镜；

所述相机4d的可选范围包括但不仅限于CCD相机或者CMOS相机。

所述偏振光检测及成像模块4还包括在相机4d之前的任意位置设置1至多个滤波片，滤波片的带通范围与所述偏振光发生模块2出射的光源适配，介于300nm-530nm之间。

所述偏振光检测及成像模块4还包括在所述检偏器4a前设置的补偿器，所述偿器是指与所述偏振光发生模块2适配的λ/4补偿玻片。

所述偏振光检测及成像模块4还包括第三凸透镜，可在偏振光检测及成像模块中相机的前方，任意光学元件之间插入一个第三凸透镜，以调整样品通过显微镜物镜5后成像的位置。

基于前述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，本申请还公开了一种全局磁性成像方法，其特征在于，所述全局磁性成像方法包括如下内容：

打开偏振光发生模块2的光源，光源经过凸透镜聚焦和偏振后，成为偏振光，偏振光经过二向色镜系统反射或透射后，进入显微镜物镜5，然后照射到放置在位移台13上的样品11上；

通过调节位移台13的移动，使样品处于物镜焦点区域；

偏振光经过样品11反射后，部分再次进入显微镜物镜5，然后经过二向色镜系统的透射或者反射，进入偏振光检测及成像模块4；

旋转偏振光检测及成像模块中的偏振片4a使其偏振方向与偏振光发生模块2中偏振器2c的偏振方向夹角介于80°-100°之间；

偏振光检测及成像模块中的检偏器4a对光束的偏振状态进行检测并借用相机4d进行成像，相机得到的照片能够获得样品表面的磁化状态信息，即实现磁光克尔成像。

基于前述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，本申请还公开了一种高分辨率磁性成像方法，在本申请中，所谓高分辨率是指空间成像分辨率高于普通的光学显微分辨率极限，即分辨率优于200nm；所述方法包括以下步骤：

调整由自旋操控光源模块1发射的激光的方向，使激光经过二向色镜系统反射或者透射进入显微镜物镜5，经显微镜物镜5聚焦后，照射到NV色心上。通过自旋操控光源模块1发射的激光照射将NV色心电子自旋初始化；

停止激光，通过微波发射装置12发射电磁脉冲序列，对NV色心的自旋状态进行操控；

选取电磁脉冲序列，使得电磁脉冲频率跟自旋S＝0与S＝1间的能极差，或者自旋S＝0与S＝-1间的能极差相干，脉冲时长为半个电子自旋的拉比震荡周期，即π/2脉冲；

电磁脉冲发射结束后，让NV色心电子自由演化设定时间τ；

再输入一个时长为π/2的电磁脉冲；

在再次发射的电磁脉冲结束后，通过自旋操控光源模块1再次输入一个入射激光，使其聚焦于NV色心，NV色心将产生荧光；

部分荧光通过显微镜物镜5返回至二向色镜系统，再经过二向色镜系统的透射或者反射，进入荧光探测模块3；通过对光电探测器接收的荧光信号进行分析，计算出金刚石NV色心处的磁场大小；

然后，通过控制位移台在水平方向上的移动，使样品进行步进，通过重复以上的测量步骤，测量样品不同区域上方某高度的杂散磁场大小，得到样品的磁性分布成像。

进一步优选的，

所选取的电磁脉冲序列为Ramsey序列；

设定时间τ小于NV色心电子自旋横向弛豫时间。

基于本申请以上公开的方案，够用同一台仪器能够同时进行基于NV色心的高分辨率成像和基于磁光克尔效应的磁光成像，满足高空间分辨率和大视野全局成像的需求。同时，能够先用克尔成像对样品进行全局表征，再通过NV色心磁测量对局部特定区域进行高分辨率的精细表征。

附图说明：

图1为本发明基于磁光克尔成像与金刚石氮空位色心磁成像装置整体结构示意图以及所包含的各个模块的结构图；

图2为所述同时实现基于NV色心的高分辨率成像和磁光克尔成像的方法的流程图；

图3为所述荧光探测模块的另一种实现方案的配置图。

其中，自旋操控光源模块1、偏振光发生模块2、荧光探测模块3、偏振光检测及成像模块4、显微镜物镜5、第一二向色镜6、第二二向色镜7、第三二向色镜8、带有NV色心的金刚石探针9、NV探针臂10、样品11、微波发射装置12、高精度位移台13、激光源1a、光纤1b、光调制器1c、光纤1d,光纤耦合器1e、第一凸透镜1f，光源2a、第二凸透镜2b、偏振器2c、第一滤波片3a，光纤耦合器3b，光纤3c，d第一光电探测器3d、检偏器4a、第三凸透镜4b、第三滤波片4c、相机4d、第二滤波片3f、光阑3g、第二光电探测器3h。

具体实施方式：

下面，结合说明书附图对权利要求书、发明内容部分记载的技术方案进行进一步的详细解释和说明。

参见附图1，本申请公开的基于磁光克尔成像与金刚石氮空位色心磁成像装置，所述装置包括自旋操控光源模块1、偏振光发生模块2、荧光探测模块3、偏振光检测及成像模块4、显微镜物镜5、带有NV色心的金刚石探针9、NV色心探针臂10、微波发射装置12、位移台13。

所述自旋操控光源模块1用于提供一束入射激光，经过二向色镜系统，使激光经过二向色镜透射和/或反射，在显微镜物镜5聚焦后，照射到金刚石探针9的NV色心上，所述带有NV色心的金刚石探针9通过NV色心探针臂10夹持；微波发射装置12靠近金刚石探针9的NV色心一侧设置，用于发射电磁脉冲序列，对NV色心的自旋状态进行操控；所述金刚石探针9的NV色心产生的荧光通过显微镜物镜5返回二向色镜系统，通过二向色镜系统透射和/或反射，进入荧光探测模块3；所述偏振光发生模块2用于产生具有线偏振性质的光即偏振光，所述偏振光经过二向色镜系统的透射和/或反射，进入显微镜物镜5，然后照射到放置在位移台13的样品11上，偏振光经过样品反射后，部分再次进入显微镜物镜5，然后经过二向色镜系统透射和/或反射后，进入偏振光检测及成像模块4。

在本申请中，优选采用以下方式配置二向色镜系统，但是本领域普通技术人员应能清楚理解，本申请所采用的二向色镜系统只是优选实施例，并非是对二向色镜系统配置方式的限制。

在本申请的优选实施例中，所述二向色镜系统包括第一二向色镜6、第二二向色镜7、第三二向色镜8；

所述第二二向色镜7倾斜设置在自旋操控光源模块1发出的入射激光和所述偏振光发生模块2发出的偏振光两光路相交位置处，能将入射激光透射或反射，将偏振光反射或透射，并且使得入射激光以及偏振光在经所述第二二向色镜7透射或反射后的光路一致；

所述第一二向色镜6设置在显微镜物镜5上方，并且能够接收第二二向色镜7透射或反射后激光或偏振光，将激光或偏振光反射进入显微镜物镜5；

所述第三二向色镜8设置在第一二向色镜6和荧光探测模块3之间，能够使偏振光经过样品反射后依次经过显微镜物镜5、第一二向色镜6后将其反射进入偏振光检测及成像模块4，同时能够使NV色心发射的荧光经过物镜5、第一二向色镜6和第三二向色镜8的透射，进入荧光探测模块3。

本领域普通技术人员清楚，凡是能够通过投射或者反射方式实现自旋操控光源模块1入射激光的上述光路，NV色心产生的荧光进入荧光探测模块3，以及能够使得偏振光发生模块2产生的偏振光进入显微镜物镜5，照射到样品11上，并发射后进入偏振光检测及成像模块4的任何二向色镜系统组合，均能实现本发明的目的，并能取得相同的技术效果。例如，本领域普通技术人员也可以很容易地想到将上述实施例中的第二二向色镜7和第三二向色镜8替换为全反射透镜，当第二二向色镜7和第三二向色镜8的位置均采用全反射镜，则应有机械装置控制两个全反射透镜的插入和取出，插入时可实现某一功能，然后取出，切换了光路，实现另一功能。

因此，基于本发明精神，本领域普通技术人员能够容易得到各种色镜或透镜的组合方式以实现两种不同的光路，这些二向色镜系统的色镜或透镜组合方式均应涵盖在本申请的保护范围之内。所述自旋操控光源模块1提供一路入射光，此入射光为单色光源，波长范围介于500nm-600nm之间，光源可以进行脉冲调制。模块1可以由激光源1a、光纤(1b和1d)、光调制器1c、光纤耦合器1e和第一凸透镜1f组成。光调制器用来控制模块1中光的通断，如果光调制器为光纤耦合型调制器，放置于光纤1b和1d之间，如果为自由空间光调制器，则放于光纤耦合器1e后端。

此外，自旋操控光源模块1还可由如下结构构成：准直的激光光源和自由空间空间光调制器。可以将自旋操控光源模块1全部或者其中部分元件置于调整架上，用于调整入射光的方向，使得自旋操控光通过物镜5后聚焦于NV色心。

所述偏振光发生模块2，由光源2a、第二凸透镜2b和偏振器2c构成。其中，光源2a可以选择但不限于LED灯、汞灯、氙气灯、通过光纤耦合输出的光等；所述偏振器2c是指非偏振光透过此元件后能够成为线偏振光的装置；以将凸透镜2b和偏振器2c的位置可以对调。所述偏振光发生模块2产生的偏振光，其波长介于为300nm-530nm之间。

所述荧光探测模块3由第一滤波片3a、光纤耦合器3b、光纤3c、第一光电探测器3d构成。

金刚石探针9的NV色心产生的荧光进入第一滤波片3a后，再通过光纤耦合模块3b收集进光纤3c后，进入第一光电探测器3d，通过光电探测器3d将光信号转化为电信号。

其中，第一滤波片3a是指通带介于540nm-1000nm之间的滤波装置，功能为过滤掉自旋操控光源模块1和模块发射并经过光路反射进入荧光探测模块3的光，只让NV色心因为自旋状态改变而发射的荧光透射过滤波片。荧光通过光纤耦合器3b收集进光纤3c后，进入第一光电探测器3d。其中，第一光电探测器3d是指能够将光信号转化为电信号的装置，如光电二极管、相机等。可以将荧光探测模块3全部或者其中部分元件置于调整架上，用于调整光难点耦合器位置，NV色心发射的荧光经过物镜5后，正好聚焦于光线耦合器处，进入光纤3c从而被第一光电探测器3d探测。

如附图3所示，在本申请的另一个优选实施例中，所述荧光探测模块3还可以由第二滤波片3f、光阑3g和第二光电探测器3h组成；

其中，第二滤波片3f和光阑3g可以对调；金刚石探针9的NV色心产生的荧光进入荧光探测模块3后，正好聚焦于光阑3g的通光孔并透过，被第二光电探测器3h接收，其它干扰光被光阑3g屏蔽。

同样，第二滤波片3f为通带介于540nm-1000nm之间的滤波装置，用于过滤掉自旋操控光源模块1发射并经过光路反射进入荧光探测模块3的光，只让NV色心因为自旋状态改变而发射的荧光透射过滤波片。荧光探测模块3全部或者其中部分元件置于调整架上，用于调整光阑3g位置，NV色心发射的荧光经过物镜5后，正好聚焦于光阑3g小孔处，被第二光电探测器3h探测。

所述偏振光检测及成像装置4，其构成为检偏器4a、第三凸透镜4b(可选)、第三滤波片4c(可选)、相机4d。所述补所述检偏器4a是指线偏振器，可以为薄膜偏振器或者格兰泰勒棱镜，或者格兰汤普森棱镜；所述相机4d的可选范围包括但不仅限于CCD相机或者CMOS相机。所述第三滤波片4c带通范围与所述偏振光发生模块出射的光源适配，介于300nm-530nm之间。所述第三凸透镜4b可以调整样品通过物镜后成像的位置，使样品成像焦点正好落在相机感光芯片上，从而获得清晰克尔图片。另外，所述检偏器4a前可以增加一补偿器，所述偿器是指波长λ与模块2适配的λ/4补偿玻片。

如附图2所示，基于前述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，本申请还公开了一种全局磁性成像方法，其特征在于，所述全局磁性成像方法包括如下内容：

打开偏振光发生模块2的光源，光源经过凸透镜聚焦和偏振后，成为偏振光，偏振光经过二向色镜系统反射或透射后，进入显微镜物镜5，然后照射到放置在位移台13上的样品11上；

通过调节位移台13的移动，使样品11处于物镜焦点区域；

偏振光经过样品11反射后，部分再次进入显微镜物镜5，然后经过二向色镜系统的透射或者反射，进入偏振光检测及成像模块4；

旋转偏振光检测及成像模块中的偏振片4a使其偏振方向与偏振光发生模块2中偏振器2c的偏振方向夹角介于80°-100°之间；

偏振光检测及成像模块中的检偏器4a对光束的偏振状态进行检测并借用相机4d进行成像，相机得到的照片能够获得样品表面的磁化状态信息，即实现磁光克尔成像。

同样，参见附图2，基于前述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，本申请还公开了一种高分辨率磁性成像方法，所述方法包括以下步骤：

调整由自旋操控光源模块1发射的激光的方向，使激光经过二向色镜系统反射或者透射进入显微镜物镜5，经显微镜物镜5聚焦后，照射到NV色心上。通过自旋操控光源模块1发射的激光照射将NV色心电子自旋初始化；

停止激光，通过微波发射装置12发射电磁脉冲序列，对NV色心的自旋状态进行操控；

选取电磁脉冲序列，使得电磁脉冲频率跟自旋S＝0与S＝1间的能极差，或者自旋S＝0与S＝-1间的能极差相干，脉冲时长为半个电子自旋的拉比震荡周期，即π/2脉冲；所选取的电磁脉冲序列为Ramsey序列；

电磁脉冲发射结束后，让NV色心电子自由演化设定时间τ；在本申请中，设定时间τ小于NV色心电子自旋横向弛豫时间。

再输入一个时长为π/2的电磁脉冲；

在再次发射的电磁脉冲结束后，通过自旋操控光源模块1再次输入一个入射激光，使其聚焦于NV色心，NV色心将产生荧光；

部分荧光通过显微镜物镜5返回至二向色镜系统，再经过二向色镜系统的透射或者反射，进入荧光探测模块3；通过对光电探测器接收的荧光信号进行分析，计算出金刚石NV色心处的磁场大小；

然后，通过控制位移台在水平方向上的移动，使样品进行步进，通过重复以上的测量步骤，测量样品不同区域上方某高度的杂散磁场大小，得到样品的磁性分布成像。本申请利用金刚石中氮空位色性进行磁成像，空间分辨率可以达到亚纳米级别。

在应用本申请公开的基于磁光克尔成像与金刚石氮空位色心磁成像装置进行测试时，如果基于磁光克尔成像与金刚石氮空位色心磁成像装置包括由自旋操控光源模块1、偏振光发生模块2、荧光探测模块3、偏振光检测及成像模块4、显微镜物镜5、二向色镜6、二向色镜7、二向色镜8等，在由自旋操控光源模块1、偏振光发生模块2、荧光探测模块3、偏振光检测及成像模块4全部开启后，则基于金刚石NV色心的高分辨率成像和磁光克尔成像可以同时进行。此时，需要在荧光探测模块3中配置通带包含540nm-1000nm的滤波片，滤除其它干扰光；在偏振光检测及成像模块4中配置通带波长小于530nm的滤波片，滤除干扰光源，让样品11反射的偏振光进入相机成像。

如果基于磁光克尔成像与金刚石氮空位色心磁成像装置配置包括由自旋操控光源模块1、偏振光发生模块2、荧光探测模块3、偏振光检测及成像模块4、显微镜物镜5、二向色镜6、全反射镜7、全反射镜8等，在由自旋操控光源模块1、偏振光发生模块2、荧光探测模块3、偏振光检测及成像模块4全部开启后，基于金刚石NV色心的高分辨率成像和磁光克尔成像需要先后分批进行。即，基于金刚石NV色心的高分辨率成像时，需要通过把全发射镜7和全反射镜8插入光路或者移出光路进行光路切换，让由自旋操控光源模块1的光线入射进物镜，并由荧光探测模块3接受NV色心发射的荧光；进行磁光克尔成像时，需要通过把全发射镜7和全反射镜8插入光路或者移出光路进行光路切换，让偏振光发生模块2和偏振光检测及成像模块4接入光路，进行磁光克尔成像。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (18)

1.一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，所述磁成像装置包括自旋操控光源模块(1)、偏振光发生模块(2)、荧光探测模块(3)、偏振光检测及成像模块(4)、显微镜物镜(5)、带有NV色心的金刚石探针(9)、NV色心探针臂(10)、微波发射装置(12)、位移台(13)；其特征在于：

所述自旋操控光源模块(1)用于提供一束入射激光，经过二向色镜系统，使激光经过二向色镜透射和/或反射，在显微镜物镜(5)聚焦后，照射到金刚石探针(9)的NV色心上，所述带有NV色心的金刚石探针(9)通过NV色心探针臂(10)夹持；

微波发射装置(12)靠近金刚石探针(9)的NV色心一侧设置，用于发射电磁脉冲序列，对NV色心的自旋状态进行操控；

所述金刚石探针(9)的NV色心产生的荧光通过显微镜物镜(5)返回二向色镜系统，通过二向色镜系统透射和/或反射，进入荧光探测模块(3)；

所述偏振光发生模块(2)用于产生具有线偏振性质的光即偏振光，所述偏振光经过二向色镜系统的透射和/或反射，进入显微镜物镜(5)，然后照射到放置在位移台(13)的样品(11)上，偏振光经过样品反射后，部分再次进入显微镜物镜(5)，然后经过二向色镜系统透射和/或反射后，进入偏振光检测及成像模块(4)。

2.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

所述二向色镜系统包括第一二向色镜(6)、第二二向色镜(7)、第三二向色镜(8)；

所述第一二向色镜(6)、第二二向色镜(7)、第三二向色镜(8)按照以下方式进行配置：

所述第二二向色镜(7)倾斜设置在自旋操控光源模块(1)发出的入射激光和所述偏振光发生模块(2)发出的偏振光两光路相交位置处，能将入射激光透射或反射，将偏振光反射或透射，并且使得入射激光以及偏振光在经所述第二二向色镜(7)透射或反射后的光路一致；

所述第一二向色镜(6)设置在显微镜物镜(5)上方，并且能够接收第二二向色镜(7)透射或反射后激光或偏振光，将激光或偏振光反射进入显微镜物镜(5)；

所述第三二向色镜(8)设置在第一二向色镜(6)和荧光探测模块(3)之间，能够使偏振光经过样品反射后依次经过显微镜物镜(5)、第一二向色镜(6)后将其反射进入偏振光检测及成像模块(4)，同时能够使NV色心发射的荧光经过显微镜物镜(5)、第一二向色镜(6)和第三二向色镜(8)的透射，进入荧光探测模块(3)。

3.根据权利要求1或2所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

所述自旋操控光源模块(1)由激光源(1a)、光纤(1b，1d)、光调制器(1c)、光纤耦合器(1e)和第一凸透镜(1f)组成；

光调制器(1c)用来控制自旋操控光源模块(1)中光的通断，

当光调制器(1c)为光纤耦合型调制器，则激光源(1a)、光调制器(1c)、光纤耦合器(1e)通过光纤按照前后顺序顺次连接，第一凸透镜(1f)置于光纤耦合器(1e)的后端，将入射激光聚焦到二向色镜系统；

当光调制器(1c)为自由空间光调制器，则激光源(1a)、光纤耦合器(1e)、通过光纤连接，光调制器(1c)和第一凸透镜(1f)置于光纤耦合器(1e)的后端，光调制器(1c)和第一凸透镜(1f)顺序能够对调；调制后的激光入射进入二向色镜系统。

4.根据权利要求3所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

将自旋操控光源模块(1)的全部或者其中部分元件置于调整架上，用于调整入射光的方向，使得自旋操控光源模块(1)发出的激光通过显微镜物镜(5)后聚焦于金刚石探针(9)的NV色心。

5.根据权利要求1或4所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

自旋操控光源模块(1)提供的入射激光为单色光源，波长范围介于500nm-600nm之间，光源能够进行脉冲调制。

6.根据权利要求1-3任一权利要求所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

所述偏振光发生模块(2)由光源(2a)、第二凸透镜(2b)和偏振器(2c)构成；

其中，光源(2a)可以选择但不限于LED灯、汞灯、氙气灯、通过光纤耦合输出的光；所述偏振器(2c)是指非偏振光透过此元件后能够成为线偏振光的装置；

所述光源(2a)置于前侧，后侧的第二凸透镜(2b)和偏振器(2c)的位置能够对调；也可以将第二凸透镜(2b)和偏振器(2c)直接与光源(2a)集成，成为线偏振光源。

7.根据权利要求1或6所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

所述偏振光发生模块(2)产生的具有线偏振性质的光，其波长介于为300nm-530nm之间。

8.根据权利要求1-3任一权利要求所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

所述荧光探测模块(3)由第一滤波片(3a)、光纤耦合器(3b)、光纤(3c)、第一光电探测器(3d)构成；

金刚石探针(9)的NV色心产生的荧光进入第一滤波片(3a)后，再通过光纤耦合模块(3b)收集进光纤(3c)后，进入第一光电探测器(3d)，通过第一光电探测器(3d)将光信号转化为电信号。

9.根据权利要求1-3任一权利要求所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

所述荧光探测模块(3)由第二滤波片、光阑(3g)和第二光电探测器(3h)组成；

其中，第二滤波片(3f)和光阑(3g)可以对调；金刚石探针(9)的NV色心产生的荧光进入荧光探测模块(3)后，正好聚焦于光阑(3g)的通光孔并透过，被第二光电探测器(3h)接收，其它干扰光被光阑(3g)屏蔽。

10.根据权利要求8或9所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

其中，第一滤波片(3a)和第二滤波片(3f)是指通带介于540nm-1000nm之间的滤波装置，用于过滤掉自旋操控光源模块(1)发射并经过光路反射进入荧光探测模块(3)的光，只让NV色心因为自旋状态改变而发射的荧光透射过滤波片。

11.根据权利要求8或9所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

所述荧光探测模块(3)全部或者其中部分元件置于调整架上，用于调整光纤耦合器(3b)或者光阑(3g)位置，NV色心发射的荧光经过物镜(5)后，正好聚焦于光纤耦合器(3b)入口处，或者聚焦于光阑(3g)小孔处，被第一光电探测器(3d)或第二光电探测器(3h)探测。

12.根据权利要求1-3任一权利要求所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

所述偏振光检测及成像模块(4)包括检偏器(4a)、相机(4d)，通过检偏器(4a)对光束的偏振状态进行检测并借用相机(4d)进行成像；

所述检偏器(4a)是指线偏振器，所述检偏器(4a)为但不限于以下的任一种：

薄膜偏振器、格兰泰勒棱镜，或者格兰汤普森棱镜；

所述相机(4d)的可选范围包括但不仅限于CCD相机或者CMOS相机。

13.根据权利要求12所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

所述偏振光检测及成像模块(4)还包括在相机(4d)之前的任意位置设置1至多个第三滤波片(4c)，第三滤波片(4c)的带通范围与所述偏振光发生模块(2)出射的光源适配，介于300nm-530nm之间。

14.根据权利要求13所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

所述偏振光检测及成像模块(4)还包括在所述检偏器(4a)前设置的补偿器，所述补偿器是指与所述偏振光发生模块(2)适配的λ/4补偿玻片。

15.根据权利要求13或14所述的基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，其特征在于：

所述偏振光检测及成像模块(4)还包括第三凸透镜(4b)，可在偏振光检测及成像模块中相机的前方，任意光学元件之间插入一个第三凸透镜(4b)，以调整样品通过显微镜物镜(5)后成像的位置。

16.一种基于权利要求1-15任一项权利要求所述装置的全局磁性成像方法，其特征在于，所述全局磁性成像方法包括如下内容：

打开偏振光发生模块的光源，光源经过凸透镜聚焦和偏振后，成为偏振光，偏振光经过二向色镜系统反射或透射后，进入显微镜物镜，然后照射到放置在位移台上的样品上；

通过调节位移台的移动，使样品处于物镜焦点区域；

偏振光经过样品反射后，部分再次进入显微镜物镜，然后经过二向色镜系统的透射或者反射，进入偏振光检测及成像模块；

旋转偏振光检测及成像模块中的偏振片使其偏振方向与偏振光发生模块中偏振器的偏振方向夹角介于80°-100°之间；

偏振光检测及成像模块中的检偏器对光束的偏振状态进行检测并借用相机进行成像，相机得到的照片能够获得样品表面的磁化状态信息，即实现磁光克尔成像。

17.一种基于权利要求1-15任一项权利要求所述装置的高分辨率磁性成像方法，其特征在于，所述方法包括以下内容：

调整由自旋操控光源模块发射的激光的方向，使激光经过二向色镜系统反射或者透射进入显微镜物镜，经显微镜物镜聚焦后，照射到NV色心上，通过自旋操控光源模块发射的激光照射将NV色心电子自旋初始化；

停止激光，通过微波发射装置发射电磁脉冲序列，对NV色心的自旋状态进行操控；

选取电磁脉冲序列，使得电磁脉冲频率跟自旋S＝0与S＝1间的能极差，或者自旋S＝0与S＝-1间的能极差相干，脉冲时长为半个电子自旋的拉比震荡周期，即π/2脉冲；

电磁脉冲发射结束后，让NV色心电子自由演化设定时间τ；

再输入一个时长为π/2的电磁脉冲；

在再次发射的电磁脉冲结束后，通过自旋操控光源模块再次输入一个入射激光，使其聚焦于NV色心，NV色心将产生荧光；

部分荧光通过显微镜物镜返回至二向色镜系统，再经过二向色镜系统的透射或者反射，进入荧光探测模块；通过对光电探测器接收的荧光信号进行分析，计算出金刚石NV色心处的磁场大小；

然后，通过控制位移台在水平方向上的移动，使样品进行步进，通过重复以上的测量步骤，测量样品不同区域上方某高度的杂散磁场大小，得到样品的磁性分布成像。

18.根据权利要求17所述的高分辨率磁性成像方法，其特征在于：

所选取的电磁脉冲序列为Ramsey序列；

设定时间τ小于NV色心电子自旋横向弛豫时间。

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