CN111398231A - 一种基于金刚石nv色心的扫描探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,在多模光纤的一端端部固定金刚石NV色心形成能够实现激光泵浦以及荧光收集的探头结构,在多模光纤的另一端设置二向色镜,使光源的激光束能够通过二向色镜反射后进入多模光纤,然后将多模光纤固定于用于多模光纤移动的探针位移台上,利用光源的激光束通过二向色镜反射后进入多模光纤,激光在多模光纤一端泵浦激发纳米金刚石NV色心,借助多模光纤锥进行荧光收集,通过单光子探测器接收多模光纤的反馈荧光,实现了基于金刚石NV色心的物理场超高空间分辨率探测,采用纳米金刚石NV色心作为敏感元件,将其粘接在光纤探针头部,借助于光纤探针实现激光激发和荧光信号收集,结构简单,测量方便。
Description
技术领域
本发明属于量子传感研究领域,具体涉及一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统。
背景技术
NV色心(nitrogen vacancy center)是金刚石中的一种发光点缺陷。一个氮原子取代金刚石中的碳原子,并且在临近位有一个空穴,这样的点缺陷被称为NV色心。基于金刚石NV色心的量子传感技术是基于量子物理、量子材料、量子光学和微纳技术等多学科、多类别的超高精密技术,也是目前最具潜力、研究范围最广的一种新型传感器,是各国争相占领的科技制高点之一。而基于纳米金刚石NV色心的超高灵敏度、超高空间分辨率测量技术可以有力推进生物细胞、生物治疗和新材料研发等领域的发展和进步。该技术可用于生物细胞领域中活体细胞的实时检测,对癌症细胞的筛查,临床医学细胞治疗的实时监测等领域。同时,在新材料领域,该技术也可用于石墨烯、铁磁等新材料的物理特性研究,而目前现有扫描探测系统采用物镜实现色心的激发和荧光收集,其荧光收集效率低、噪声大、不利于系统微小化集成等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,以克服现有技术的不足。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,包括载物位移台、多模光纤、光源、二向色镜和单光子探测器,多模光纤的一端端部固定有金刚石NV色心,多模光纤固定于用于多模光纤移动的探针位移台上,载物位移台上端面铺设有能级调控装置,能级调控装置上端用于放置待测样品,多模光纤设有金刚石NV色心一端位于载物位移台上方,二向色镜设置于多模光纤的另一端,光源设置于二向色镜一侧,光源的激光束能够通过二向色镜反射后进入多模光纤,单光子探测器设置于二向色镜另一侧,单光子探测器能够通过二向色镜接收多模光纤的反馈荧光。
进一步的,多模光纤设有金刚石NV色心一端垂直于载物位移台表面。
进一步的,多模光纤端部为锥形结构,金刚石NV色心固定于多模光纤的锥形尖端。
进一步的,金刚石NV色心采用30nm金刚石NV色心。
进一步的,光源包括依次连接的激光器、空间光隔离器、声光调制器和光阑,光阑位于二向色镜一侧,激光器发射的激光依次通过空间光隔离器、声光调制器、光阑后经二向色镜反射进入多模光纤。
进一步的,二向色镜与多模光纤之间设有光纤准直器,多模光纤的输入端固定有光纤调整架。
进一步的,单光子探测器与二向色镜之间依次设有聚焦透镜和滤光片,滤光片采用600nm高通滤光片滤波。
进一步的,探针位移台为单轴纳米位移台,载物位移台为二维纳米位移台,探针位移台上固定有反馈音叉,反馈音叉与多模光纤侧壁粘贴固定,反馈音叉通过音叉控制箱连接有上位控制机;单光子探测器通过同轴电缆连接有用于单光子计数的数据采集卡,数据采集连接于上位控制机。
进一步的,能级调控装置包括固定于载物位移台上的天线,天线铺设于载物位移台上表面,待测样品放置于天线和金刚石NV色心之间,天线一端依次连接有微波开关、微波信号放大器和微波源。
进一步的,微波开关连接有信号发生器,信号发生器同时连接声光调制器和上位控制机。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,通过在多模光纤的一端端部固定金刚石NV色心形成能够实现激光发射以及荧光反射的探头结构,然后在多模光纤的另一端设置二向色镜,使光源的激光束能够通过二向色镜反射后进入多模光纤,然后将多模光纤固定于用于多模光纤移动的探针位移台上,实现多模光纤的Z轴进给,通过载物位移台移动实现样品的扫描探测,利用光源的激光束通过二向色镜反射后进入多模光纤,纳米金刚石NV色心受到脉冲激光的泵浦激发,能级调控装置实现能级调控,然后通过纳米金刚石中NV色心的荧光强度读取测量信息,利用二向色镜过滤后,通过单光子探测器接收多模光纤的反馈荧光,实现了基于金刚石NV色心的物理场超高空间分辨率探测,采用纳米金刚石NV色心作为敏感元件,将其粘接在光纤探针头部,借助于光纤探针实现激光激发和荧光信号收集,结构简单,测量方便,提高荧光收集效率、降低噪声,提高探测灵敏度。
进一步的,多模光纤设有金刚石NV色心一端垂直于载物位移台表面,能够准确收集反馈荧光,测量结果准确。
进一步的,光源包括依次连接的激光器、空间光隔离器、声光调制器和光阑,光阑位于二向色镜一侧,激光器发射的激光依次通过空间光隔离器、声光调制器、光阑后经二向色镜反射进入多模光纤,防止激光反射回激光器内部损坏激光器。
进一步的,二向色镜与多模光纤之间设有光纤准直器,提高激光准入精度,多模光纤的输入端固定有光纤调整架,固定结构稳定。
进一步的,探针位移台为单轴纳米位移台,载物位移台为二维纳米位移台,简化光路设计、提高测量灵敏度,提高探测系统的集成化和稳定性;利用音叉反馈实现金刚石NV色心的Z轴位置调控,通过二维纳米位移台实现样品的扫描,具有较高的空间分辨率。
进一步的,能级调控装置包括固定于探针位移台上的天线,天线铺设于探针位移台上表面,待测样品放置于天线和金刚石NV色心之间,天线一端依次连接有微波开关、微波信号放大器和微波源,便于能级调控,提高测量精度。
附图说明
图1为本发明扫描探测系统示意图。
其中,1、金刚石NV色心;2、多模光纤;3、反馈音叉;4、探针位移台;5、光纤调整架;6、音叉控制箱;7、上位控制机;8、激光器;9、空间光隔离器;10、声光调制器;11、光阑;12、二向色镜;13、光纤准直器;14、反射镜;15、滤光片;16、聚焦透镜;17、单光子探测器;18、数据采集卡;19、信号发生器;20、微波源;21、微波信号放大器;22、微波开关;23、天线;24、载物位移台。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
如图1所示,本发明一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,包括载物位移台24、多模光纤2、光源8、二向色镜12和单光子探测器17,多模光纤2的一端端部固定有金刚石NV色心1,多模光纤2固定于用于多模光纤2移动的探针位移台4上,载物位移台24上端面铺设有能级调控装置,能级调控装置上端用于放置待测样品,多模光纤2设有金刚石NV色心1一端位于载物位移台24上方,二向色镜12设置于多模光纤2的另一端,光源设置于二向色镜12一侧,光源的激光束能够通过二向色镜12反射后进入多模光纤2,单光子探测器17设置于二向色镜12另一侧,单光子探测器17能够通过二向色镜12接收多模光纤2的反馈荧光。光源发出的激光通过二向色镜12反射后进入多模光纤2,激光通过多模光纤2端部的金刚石NV色心传至待测样品,纳米金刚石NV色心受到脉冲激光的泵浦激发,利用能级调控装置实现能级调控,然后通过纳米金刚石中NV色心的荧光强度读取测量信息,利用二向色镜过滤后,通过单光子探测器接收多模光纤的反馈荧光,多模光纤2将反馈光经二向色镜分离激光与荧光,荧光通过二向色镜进入单光子探测器视线荧光探测。
多模光纤2端部为锥形结构,金刚石NV色心1固定于多模光纤2的锥形尖端;本申请金刚石NV色心1采用30nm金刚石NV色心。多模光纤由62.5um/125um多模光纤化学腐蚀制成,尖端经过化学功能化处理,当锥尖接触金刚石NV色心时会在两者间产生键合力,粘起金刚石NV色心,完成NV色心光纤探针制备。多模光纤2设有金刚石NV色心1一端垂直于载物位移台24表面。
光源包括依次连接的激光器8、空间光隔离器9、声光调制器10和光阑11,光阑11位于二向色镜12一侧,激光器8发射的激光依次通过空间光隔离器9、声光调制器10、光阑11后经二向色镜12反射进入多模光纤2,经过多模光纤2后激发金刚石NV色心。空间光隔离器9防止激光反射回激光器内部损坏激光器,声光调制器10用于实现脉冲激光调制,光阑用于筛选所需要的衍射光斑;二向色镜12与多模光纤2之间设有光纤准直器13,利用光纤准直器13对经过二向色镜12反射的激光进行耦合,提高激光准入精度,光纤准直器13连接多模光纤2的一端;多模光纤2的输入端固定有光纤调整架5;激光器8采用532nm激光器。
单光子探测器17与二向色镜12之间依次设有聚焦透镜16和滤光片15,滤光片15采用600nm高通滤光片滤波,滤波后通过单光子探测器对600-800nm荧光探测;多模光纤2所收集金刚石NV色心荧光依次通过光纤准直器准直13、二向色镜分离激光与荧光、滤光片15滤掉532nm激光后,通过单光子探测器17对600-800nm荧光探测。滤光片15与二向色镜12之间设有反射镜14,二向色镜12与反射镜14的镜面垂直设置。
探针位移台4为单轴纳米位移台,载物位移台24为二维纳米位移台。探针位移台4上固定有反馈音叉3,反馈音叉与多模光纤2侧壁粘贴固定,反馈音叉3通过音叉控制箱6连接于上位控制机7,多模光纤2通过反馈音叉感知多模光纤2上金刚石NV色心Z轴位置,经过音叉控制箱将位置信息反馈给上位控制机,利用上位控制机控制探针位移台4实现多模光纤2上金刚石NV色心Z轴位置调控;反馈音叉3振动信息通过音叉控制箱6解调,在上位控制机7中读取多模光纤Z轴位置信息,上位控制机7基于音叉控制箱读取的位置信息通过探针位移台4实现NV色心光纤探针Z轴的进给。所述单光子探测器17通过同轴电缆连接有数据采集卡18进行单光子计数,数据采集18连接于上位控制机7,将采集到的单光子数据上传至上位控制机。
能级调控装置包括固定于探针位移台4上的天线24,天线24铺设于探针位移台4上表面,待测样品放置于天线23和金刚石NV色心1之间,天线23一端依次连接有微波开关22、微波信号放大器21和微波源20,微波源连接微波信号放大器进行微波信号放大,再通过微波开关控制微波脉冲时序,最终通过天线将电磁场辐射到空气中用于实现色心的能级调控。微波开关22连接有信号发生器19,信号发生器19同时连接声光调制器10和上位控制机7,通过上位控制机7控制信号发生器19实现激光脉冲和微波脉冲时序调控,从而实现探针位移台4上样品扫描荧光强度信息。上位机通过LABVIEW程序协调控制金刚石NV色心Z轴位置和样品位置,实现物理场的扫描探测。采用本发明端部设有金刚石NV色心的多模光纤,通过同一根多模光纤进行光源输送和荧光收集,利用二向色镜12实现荧光与激光分离,结构简单,有利于装置小型化,测量效率高。
Claims (10)
1.一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,其特征在于,包括载物位移台(24)、多模光纤(2)、光源、二向色镜(12)和单光子探测器(17),多模光纤(2)的一端端部固定有金刚石NV色心(1),多模光纤(2)固定于用于多模光纤(2)移动的探针位移台(4)上,载物位移台(24)上端面铺设有能级调控装置,能级调控装置上端用于放置待测样品,多模光纤(2)设有金刚石NV色心(1)一端位于载物位移台(24)上方,二向色镜(12)设置于多模光纤(2)的另一端,光源设置于二向色镜(12)一侧,光源的激光束能够通过二向色镜(12)反射后进入多模光纤(2),单光子探测器(17)设置于二向色镜(12)另一侧,单光子探测器(17)能够通过二向色镜(12)接收多模光纤(2)的反馈荧光。
2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,其特征在于,多模光纤(2)设有金刚石NV色心(1)一端垂直于载物位移台(24)表面。
3.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,其特征在于,多模光纤(2)端部为锥形结构,金刚石NV色心(1)固定于多模光纤(2)的锥形尖端。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,其特征在于,金刚石NV色心(1)采用30nm金刚石NV色心。
5.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,其特征在于,光源包括依次连接的激光器(8)、空间光隔离器(9)、声光调制器(10)和光阑(11),光阑(11)位于二向色镜(12)一侧,激光器(8)发射的激光依次通过空间光隔离器(9)、声光调制器(10)、光阑(11)后经二向色镜(12)反射进入多模光纤(2)。
6.根据权利要求5所述的一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,其特征在于,二向色镜(12)与多模光纤(2)之间设有光纤准直器(13),多模光纤(2)的输入端固定有光纤调整架(5)。
7.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,其特征在于,单光子探测器(17)与二向色镜(12)之间依次设有聚焦透镜(16)和滤光片(15),滤光片(15)采用600nm高通滤光片滤波。
8.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,其特征在于,探针位移台(4)为单轴纳米位移台,载物位移台(24)为二维纳米位移台,探针位移台(4)上固定有反馈音叉(3),反馈音叉与多模光纤(2)侧壁粘贴固定,反馈音叉(3)通过音叉控制箱(6)连接有上位控制机(7);单光子探测器(17)通过同轴电缆连接有用于单光子计数的数据采集卡(18),数据采集(18)连接于上位控制机(7)。
9.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,其特征在于,能级调控装置包括固定于载物位移台(24)上的天线(23),天线(23)铺设于载物位移台(24)上表面,待测样品放置于天线(23)和金刚石NV色心(1)之间,天线(23)一端依次连接有微波开关(22)、微波信号放大器(21)和微波源(20)。
10.根据权利要求9所述的一种基于金刚石NV色心的扫描探测系统,其特征在于,微波开关(22)连接有信号发生器(19),信号发生器(19)同时连接声光调制器(10)和上位控制机(7)。
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