CN111504499A - 一种基于nv色心的阵列式表头及温度传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于NV色心的阵列式表头及温度传感装置，对温度传感装置表头中的内含NV色心金刚石颗粒、激发光路、检测光路和微波馈送等关键部件进行了一体化设计，由光纤束和金刚石颗粒的配合形成阵列式表头，并最终通过阵列式表头与各关键子系统形成具有高空间分辨率高测量灵敏度的NV色心温度测量装置。本发明属于量子温度测量技术与光纤阵列技术的融合交叉领域，极大地减小了NV色心温度传感装置体积，提高了表头集成度和测量可靠性，拓展了NV色心相关技术在热成像等领域的应用。

Description

一种基于NV色心的阵列式表头及温度传感装置

技术领域

本发明属于量子温度传感技术与光纤阵列技术的融合交叉领域，具体涉及一种基于氮-空位（nitrogen vacancy，以下简称NV）色心的阵列式表头及温度传感装置。

背景技术

随着量子操控、精密光谱、材料科学等相关技术的急速发展，量子传感技术以其远超经典测量极限的突出优势得到越来越多领域的关注。在微机电、精密化学和生物医学研究方面，高精度温度传感技术可以为电磁效应和化学生物反应过程提供重要信息和判断依据。研究具有高测量灵敏度的阵列化温度测量方法对于理解复杂温变系统的温度梯度细微分布具有极其重要的意义。目前，常用的热成像系统主要有拉曼光谱、荧光热像仪和扫描热显微术等，这些温度测量方法尚存在测量灵敏度低、稳定性差、空间分辨率不足等问题。内含NV色心的金刚石材料具有测量灵敏度高、物理化学性质稳定、工作温度范围大等特点，已成为一种热门的固态量子材料。同时，金刚石微粒还可以实现纳米级空间分辨率的量子温度传感测量，使空间分辨率和灵敏度的结合成为可能，通过将含有NV色心的金刚石微粒阵列化则有望实现高测量灵敏度的热成像系统。NV色心温度测量的主要原理是基于基态零场分裂轴向参数随温度的负相关特性，较为常用的测量方法是通过跟踪NV色心光探测磁共振谱线的偏移来实现待测温度变化的检测和解算。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于NV色心的阵列式表头及温度传感装置，具体技术方案如下：

一种基于NV色心的阵列式表头，该表头包括外壳，以及设置在外壳内部的分束器、输入端光纤束、环形器、传感端光纤束、输出端光纤束、检测接头、金刚石基板、表面波导、光纤接头固定板；

所述的分束器和检测接头分别固定在所述的外壳内部两个相对的侧壁上，所述的环形器固定在所述的外壳内部的顶部，所述的金刚石基板固定在所述的外壳的内部的下表面，所述的表面波导布设在所述的金刚石基板的上表面，所述的光纤接头固定板固定在所述的金刚石基板上；

所述的输入端光纤束一端与所述的分束器连接，所述的输出端光纤束一端与所述的检测探头连接，所述的传感端光纤束的一端穿过所述的光纤接头固定板与所述的金刚石基板连接，所述的输入端光纤束、输出端光纤束、传感端光纤束的另一端均与所述的环形器连接；

所述的光纤接头固定板上开设有阵列化的光纤导孔，所述的金刚石基板上开设有金刚石固定槽，所述的金刚石位于所述的金刚石固定槽内，且所述的金刚石固定槽和所述的光纤导孔的位置和数量与所述的传感端光纤束的光纤一一对应，所述的传感端光纤束与所述的金刚石紧密接触；

所述的阵列式表头还包括固定在所述的外壳外部的光纤耦合头、检测接头、同轴电缆接头，所述的光纤耦合头用于与外部的装置激发激光相连，所述的检测接头与所述的输出端光纤束连接，所述的同轴电缆接头通过电极与所述的金刚石上的表面波导相连。

进一步地，所述的输入端光纤束和输出端光纤束分别由光纤束带捆扎固定。

进一步地，所述的金刚石基板由SiC或Si制成。

进一步地，所述的光纤接头上的光纤导孔与金刚石基板上的金刚石固定槽的几何中心同轴。

进一步地，所述的金刚石采用高纯度金刚石颗粒，且每个金刚石颗粒中内含晶向和浓度一致的NV色心。

进一步地，所述的金刚石基板上的表面波导围绕所述的金刚石，且采用半导体工艺铺设，所述的表面波导的导线排布需满足相邻波导内电流传导方向相反，所述的导线采用纯金材料制成。

进一步地，所述的同轴电缆接头的内导线、外导线分别与表面波导的两处电极相连。

进一步地，整个表头采用无磁材料制成。

一种阵列式温度传感装置，该装置包括阵列式表头，以及与所述的阵列式表头连接的激发激光系统、微波操控系统和荧光检测系统，所述的激发激光系统、微波操控系统和荧光检测系统还与信号发生与数据处理系统相连；

所述的激发激光系统产生用于激发NV色心的激光，所述的阵列式表头的分束器将光线耦合头输入的激发光功率平均分到输入端光纤束的每根光纤中，所述的环形器引入激发激光，然后传感端光纤束又将金刚石发出的荧光收集回环形器，所述的输出端光纤束通过检测接头将荧光信号传输到所述的荧光检测系统中；

所述的微波控制系统输出对应NV色心共振频率的电磁场，并与阵列式表头的同轴电缆接头相连，将微波操控信号传递到表面波导上；

所述的信号发生与数据处理系统输出时序信号，用于控制其他各系统的操作顺序和工作时间，同时对收集到的荧光信号数据进行相应后处理。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明综合考虑各器件的功能和工作需求，对NV色心金刚石、激发光路、检测光路、环形器和微波波导等器部件进行一体化设计，通过各器部件的紧密配合实现集成性阵列使表头的装配。

（2）通过将内含NV色心的金刚石微粒形成阵列式排列，实现了被测温度的二维热成像，将NV色心的测量灵敏度和空间分辨率优势充分结合。

（3）通过光纤波分复用结构实现单激发光源对阵列式NV色心金刚石敏感元的同步激发，同时通过环形器过滤激发光并将荧光传送到检测子系统中，二者的配合使用大幅缩短了激发和检测光程。

（4）本发明的阵列式表头结构紧凑，可与不同子系统实现转接，操作简单，配合度高，环境适应性强。

附图说明

图1是本发明的NV色心阵列式表头的立体外观图；

图2是本发明的NV色心阵列式表头仅保留后部和底部壳体的立体剖视图；

图3是本发明的NV色心阵列式表头的金刚石周边结构示意图；

图4是本发明的温度测量装置子系统构成示意图；

图中，光纤耦合头1、分束器2、输入端光纤束3、环形器4、输出端光纤束5、检测接头6、光纤接头固定板7、光纤导孔8、金刚石基板9、传感端光纤束10、光纤束带11、同轴电缆接头12、外壳13、表面波导14、金刚石15、电极16、金刚石固定槽17。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1~3所示，本发明的基于NV色心的阵列式表头包括外壳13，以及设置在外壳13内部的分束器2、输入端光纤束3、环形器4、传感端光纤束10、输出端光纤束5、检测接头6、金刚石基板9、表面波导14、光纤接头固定板7；

分束器2和检测接头6分别固定在外壳13内部两个相对的侧壁上，环形器4固定在外壳13内部的顶部，金刚石基板9固定在外壳13的内部的下表面，表面波导14布设在金刚石基板9的上表面，光纤接头固定板7固定在金刚石基板9上；

输入端光纤束3一端与分束器2连接，输出端光纤束5一端与检测探头6连接，传感端光纤束10的一端穿过光纤接头固定板7与金刚石基板9连接，输入端光纤束3、输出端光纤束5、传感端光纤束的10另一端均与环形器4连接；

光纤接头固定板7上开设有阵列化的光纤导孔8，金刚石基板9上开设有金刚石固定槽17，金刚石15位于金刚石固定槽17内，且金刚石固定槽17和光纤导孔8的位置和数量与传感端光纤束10的光纤一一对应，传感端光纤束10与金刚石15紧密接触。

阵列式表头还包括固定在外壳13外部的光纤耦合头1、检测接头6、同轴电缆接头12，光纤耦合头1用于与外部的装置激发激光相连，检测接头6与输出端光纤束5连接，同轴电缆接头12的内导线、外导线与金刚石15上的表面波导14的两处电极相连。

为了节约表头空间和体积，保持表头内部结构紧凑性，输入端光纤束3和输出端光纤束5分别由光纤束带11捆扎固定。

为了能够对金刚石颗粒进行阵列式固定并保持金刚石周围无磁环境，金刚石基板9由SiC或Si制成。

为了使金刚石颗粒中的NV色心得到充分激发并提高荧光收集效率，所述的光纤固定板7上的光纤导孔8上与金刚石基板9上的金刚石固定槽17的几何中心同轴。

为了提高温度测量灵敏度，降低各金刚石颗粒及其所含NV色心的参数差异，以达到更好的测量精度和一致性，金刚石15采用高纯度金刚石颗粒，且每个金刚石颗粒中内含晶向和浓度一致的NV色心。

为了能够将测量温度和操控NV色心所需要的微波磁场传输到金刚石颗粒附近，金刚石基板9上的表面波导14围绕所述的金刚石15，且采用半导体工艺铺设，所述的表面波导14的导线排布需满足相邻波导内电流传导方向相反，所述的导线采用纯金材料制成。

整个表头采用无磁材料制成。

如图4所示，本发明的阵列式温度传感装置，包括上述的阵列式表头，以及与所述的阵列式表头连接的激发激光系统、微波操控系统和荧光检测系统，所述的激发激光系统、微波操控系统和荧光检测系统还与信号发送与数据处理系统相连；

所述的激发激光系统产生激光，所述的阵列式表头的分束器将光线耦合头输入的激发光功率平均分到输入端光纤束的每根光纤中，所述的环形器引入激发激光，然后传感端光纤束又将金刚石发出的荧光收集回环形器，所述的输出端光纤束将荧光信号传输到所述的荧光检测系统，

所述的微波控制系统输出对应NV色心共振频率的电磁场，并与阵列式表头的同轴电缆接头相连，将微波操控信号传递到表面波导上；

所述的信号发生与数据处理系统输出时序信号，用于控制各子系统的操作顺序和工作时间，同时对收集到的荧光信号数据进行相应后处理。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于NV色心的阵列式表头，其特征在于，该表头包括外壳，以及设置在外壳内部的分束器、输入端光纤束、环形器、传感端光纤束、输出端光纤束、检测接头、金刚石基板、表面波导、光纤接头固定板；

所述的分束器和检测接头分别固定在所述的外壳内部两个相对的侧壁上，所述的环形器固定在所述的外壳内部的顶部，所述的金刚石基板固定在所述的外壳的内部的下表面，所述的表面波导布设在所述的金刚石基板的上表面，所述的光纤接头固定板固定在所述的金刚石基板上；

所述的输入端光纤束一端与所述的分束器连接，所述的输出端光纤束一端与所述的检测探头连接，所述的传感端光纤束的一端穿过所述的光纤接头固定板与所述的金刚石基板连接，所述的输入端光纤束、输出端光纤束、传感端光纤束的另一端均与所述的环形器连接；

所述的光纤接头固定板上开设有阵列化的光纤导孔，所述的金刚石基板上开设有金刚石固定槽，所述的金刚石位于所述的金刚石固定槽内，且所述的金刚石固定槽和所述的光纤导孔的位置和数量与所述的传感端光纤束的光纤一一对应，所述的传感端光纤束与所述的金刚石紧密接触；

所述的阵列式表头还包括固定在所述的外壳外部的光纤耦合头、检测接头、同轴电缆接头，所述的光纤耦合头用于与外部的装置激发激光相连，所述的检测接头与所述的输出端光纤束连接，所述的同轴电缆接头通过电极与所述的金刚石上的表面波导相连。

2.根据权利要求1所述的基于NV色心的阵列式表头，其特征在于，所述的输入端光纤束和输出端光纤束分别由光纤束带捆扎固定。

3.根据权利要求1所述的基于NV色心的阵列式表头，其特征在于，所述的金刚石基板由SiC或Si制成。

4.根据权利要求1所述的基于NV色心的阵列式表头，其特征在于，所述的光纤接头上的光纤导孔与金刚石基板上的金刚石固定槽的几何中心同轴。

5.根据权利要求1所述的基于NV色心的阵列式表头，其特征在于，所述的金刚石采用高纯度金刚石颗粒，且每个金刚石颗粒中内含晶向和浓度一致的NV色心。

6.根据权利要求4所述的基于NV色心的阵列式表头，其特征在于，所述的金刚石基板上的表面波导围绕所述的金刚石，且采用半导体工艺铺设，所述的表面波导的导线排布需满足相邻波导内电流传导方向相反，所述的导线采用纯金材料制成。

7.根据权利要求5所述的基于NV色心的阵列式表头，其特征在于，所述的同轴电缆接头的内导线、外导线分别与表面波导的两处电极相连。

8.根据权利要求1所述的基于NV色心的阵列式表头，其特征在于，整个表头采用无磁材料制成。

9.一种阵列式温度传感装置，其特征在于，该装置包括权利要求1所述的阵列式表头，以及与所述的阵列式表头连接的激发激光系统、微波操控系统和荧光检测系统，所述的激发激光系统、微波操控系统和荧光检测系统还与信号发生与数据处理系统相连；

所述的激发激光系统产生用于激发NV色心的激光，所述的阵列式表头的分束器将光线耦合头输入的激发光功率平均分到输入端光纤束的每根光纤中，所述的环形器引入激发激光，然后传感端光纤束又将金刚石发出的荧光收集回环形器，所述的输出端光纤束通过检测接头将荧光信号传输到所述的荧光检测系统中；

所述的微波控制系统输出对应NV色心共振频率的电磁场，并与阵列式表头的同轴电缆接头相连，将微波操控信号传递到表面波导上；

所述的信号发生与数据处理系统输出时序信号，用于控制其他各系统的操作顺序和工作时间，同时对收集到的荧光信号数据进行相应后处理。

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