CN111650543B - 一种基于金刚石nv色心的微波近场矢量测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法，首先测量出金刚石NV色心中NV轴在空间直角坐标系中的准确指向，其次利用空间旋转的方式将其中一种NV轴方向分别旋转至平行于空间直角坐标系中xyz轴，并分别在不同NV轴方向下进行微波近场矢量扫描测量，得出微波近场矢量分布。本发明基于金刚石NV色心的光学性质和矢量敏感特性，利用末端粘有金刚石NV色心的锥形光纤探头作为传感器，利用不同轴向的NV色心荧光信号的变化实现微波器件的微波近场矢量的高分辨率扫描测量。

Description

一种基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法
技术领域
本发明涉及微波近场矢量测量技术领域，尤其涉及应用于微带天线、微波集成电路(MMIC)芯片等微波器件的表征以及失效分析工作的微波近场矢量测量，具体为一种基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法。
背景技术
微波近场矢量测量在微波器件表征性能表征方面起着重要的作用。传统的微波近场测量使用是金属开放式波导，其无法满足高分辨率的矢量微波近场的测量需求。NV色心是金刚石中由替换碳原子的氮原子(Nitrogen)与其相邻空位(Vacancy)构成的一种具有荧光特性的缺陷。NV色心在空间中具有矢量敏感特性，沿着NV轴方向的静磁场与垂直于NV轴的平面极化电磁场都会影响NV色心的荧光特性。根据金刚石中的正四面体原子结构可知，具有多个NV色心的金刚石中具有四种不同固定方向的NV色心，如图1所示，因此可以进行静磁场以及微波场的高分辨率矢量测量。每种方向的NV色心所产生的荧光信号都能敏感垂直于NV轴方向上的微波场分量，另外，利用小体积颗粒样品测量微波场可提高其测量分辨率，因此利用不同轴向的NV色心荧光信号的变化可以实现微波器件的微波近场矢量的高分辨率扫描测量。
公开号CN105823994B的中国专利于2019年2月15日公开了一种基于金刚石NV色心的微波磁场测量系统，该系统用于对待测微波的微波磁场进行测量。具体包括共聚焦显微装置、精密位移装置、静磁场调节装置、具备NV色心的金刚石和信号处理装置，精密位移装置用于控制发射待测微波的微波源与NV色心的相对位移，静磁场调节装置用于控制施加在所述金刚石上的静磁场的场强；共聚焦显微装置用于利用预设波长的激光激发该NV色心的电子状态，记录所述NV色心发出的荧光，并输出反映该荧光的荧光信号；信号处理装置用于根据荧光信号重构待测微波在纳米量级分辨率的微波磁场矢量，从而能够实现对待测微波的微波磁场的矢量测量。但是该专利无法实现微波矢量场不同方向分量的准确测量。
因此，本发明基于金刚石NV色心的光学性质和矢量敏感特性，利用末端粘有金刚石NV色心的锥形光纤探头作为传感器，研究了一种微波器件表面的微波近场矢量测量技术，能够利用不同轴向的NV色心荧光信号的变化实现微波器件的微波近场矢量的高分辨率扫描测量。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法，首先获取NV轴的空间指向，然后经由两步旋转调节NV轴方向，对不同NV轴方向的微波近场矢量分别进行扫描测量，得到该NV轴的微波近场矢量分布。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法，包括：
测量金刚石NV色心中NV轴在空间直角坐标系中的指向；
将任一NV轴方向分别旋转至平行于空间直角坐标系中xyz轴，并在旋转后的xyz轴方向下分别进行微波近场矢量扫描测量，得出微波近场矢量分布。
上述技术方案中，本发明基于金刚石NV色心的光学性质和矢量敏感特性，首先测量出金刚石NV色心中NV轴在空间直角坐标系中的准确指向，其次利用空间旋转的方式将其中一种NV轴方向分别旋转至平行于空间直角坐标系中xyz轴，并分别在不同NV轴方向下进行微波近场矢量扫描测量，得出微波近场矢量分布。该技术方案可用于微带天线、微波集成电路(MMIC)芯片等微波器件的表征以及失效分析工作。
作为进一步的技术方案，测量金刚石NV色心中NV轴在空间直角坐标系中的指向进一步包括：
获取具有八个分离谱峰的ODMR谱，分析每对谱峰间的频率宽度得到每个NV轴向上投影的磁场强度；
分别对金刚石样品施加沿着空间直角坐标系Z轴正反方向与Y轴正反方向上的静磁场，同时测量其ODMR谱并分析每对谱峰所对应的频率变化量；
建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的关系，得到各NV轴指向角度。
作为进一步的技术方案，建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的关系进一步包括：
建立NV坐标系到理想正交坐标系的转换模型Bo＝KNoBNV，Bo为理想正交坐标系下分量，BNV为NV坐标系下分量，KNo为NV坐标系到理想正交坐标系的转换矩阵；
获取理想正交坐标系与空间直角坐标系的转换关系Bo＝KeoBe，Be为空间直角坐标系下分量，Keo为空间直角坐标系到理想正交坐标系的转换矩阵；
将分别对金刚石样品施加的四种不同的磁场矢量转化到理想正交坐标系下进行运算得到转换矩阵Keo的参数，建立NV坐标系与空间直角坐标系的转换关系BNV＝KoNKeoBe，得到各NV轴指向角度。
作为进一步的技术方案，将分别对金刚石样品施加的沿着空间直角坐标系Z轴正反方向与Y轴正反方向上的静磁场转化到理想正交坐标系下进行运算，得到转换矩阵Keo的参数θ、ω、
Figure BDA0002541995620000033
包括：
将对金刚石样品施加的沿着空间直角坐标系Z轴的两个强度相同、方向相反的磁场矢量转化到理想坐标系下，计算得到θω值；
将对金刚石样品施加的沿着空间直角坐标系Y轴的两个强度相同、方向相反的磁场矢量转化到理想坐标系下，计算得到
Figure BDA0002541995620000032
值。
作为进一步的技术方案，所述方法基于NV轴向标定系统获取各NV轴指向角度，所述系统包括NV色心磁场敏感部分和共聚焦光路系统；
在NV色心磁场敏感部分：金刚石颗粒固定于锥形光纤的尖端；螺旋天线连接于微波源用于产生微波信号；亥姆霍兹磁场线圈连接高精度电流源，用于产生均匀的可调直流磁场；光纤末端的金刚石颗粒固定于亥姆霍兹线圈的中心，同时靠近天线磁场分布的最强点；钕铁硼永磁体放置于金刚石颗粒附近，为NV色心ODMR谱劈裂为八个峰提供固定磁场；
在共聚焦光路系统：脉冲信号发生器用于产生控制；激光器产生的激光经过透镜聚焦后进入声光调制器进行激光脉冲时序控制，由声光调制器射出的发散光经过透镜转为平行光并由二向色镜反射进入长工作距离物镜聚焦，聚焦后的光线通过锥形光纤的柱形截面端照射至金刚石中；金刚石产生的红色荧光信号经过长工作距离物镜转化为平行光并穿过二向色镜进入物镜聚焦；聚焦后的红色荧光由锁相放大器接收并转为电信号，锁相放大器利用脉冲信号发生器产生的激光微波二次调制信号对该电信号进行采集解调。
作为进一步的技术方案，所述方法进一步包括：
将所述任一NV轴方向旋转至z轴方向，施加z轴方向的静磁场，测量微波近场矢量xoy平面分量的分布成像；
将所述任一NV轴方向旋转至x轴方向，施加x轴方向的静磁场，测量微波近场矢量yoz平面分量的分布成像；
将所述任一NV轴方向旋转至y轴方向，施加y轴方向的静磁场，测量微波近场矢量xoz平面分量的分布成像；
基于微波近场矢量分别在xoy平面分量的分布成像、yoz平面分量的分布成像、xoz平面分量的分布成像，得到微波近场矢量分布。
作为进一步的技术方案，将所述任一NV轴方向旋转至z轴方向进一步包括：
将所述任一NV轴方向绕y轴旋转至yoz平面，再绕x轴旋转至z轴方向。
作为进一步的技术方案，将所述任一NV轴方向旋转至x轴方向进一步包括：
将所述任一NV轴方向绕x轴旋转至xoz平面，再绕y轴旋转至x轴方向。
作为进一步的技术方案，将所述任一NV轴方向旋转至y轴方向进一步包括：
将所述任一NV轴方向绕y轴旋转至yoz平面，再绕x轴旋转至y轴方向。
作为进一步的技术方案，所述方法基于NV轴向旋转调节及微波近场矢量测量系统实现，所述NV轴向旋转调节及微波近场矢量测量系统包括亥姆霍兹线圈、具有NV色心的金刚石颗粒、锥形光纤、二维旋转平台、微波近场测量元件和xy二维线性位移扫描平台；亥姆霍兹线圈用于产生均匀的可调直流磁场；具有NV色心的金刚石颗粒固定于锥形光纤的尖端；锥形光纤末端的金刚石颗粒固定于亥姆霍兹线圈的中心；二维旋转平台用于旋转金刚石颗粒的NV轴；xy二维线性位移扫描平台用于扫描测量微波近场矢量分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于金刚石NV色心的光学性质和矢量敏感特性，利用末端粘有金刚石NV色心的锥形光纤探头作为传感器，提供了一种微波器件表面的微波近场矢量测量方法，使得能够利用不同轴向的NV色心荧光信号的变化实现微波器件的微波近场矢量的高分辨率扫描测量。本发明方法首先测量出金刚石NV色心中NV轴在空间直角坐标系中的准确指向，其次利用空间旋转的方式将其中一种NV轴方向分别旋转至平行于空间直角坐标系中xyz轴，并分别在不同NV轴方向下进行微波近场矢量扫描测量，得出微波近场矢量分布。该方法可用于微带天线、微波集成电路(MMIC)芯片等微波器件的表征以及失效分析工作。
附图说明
图1(a)为根据本发明实施例的金刚石中NV轴的四种指向示意图；
图1(b)为根据本发明实施例的NV坐标系与空间直角坐标系之间的相对方向示意图；
图2为根据本发明实施例的理想正交坐标系与NV坐标系的示意图；
图3为根据本发明实施例的理想正交坐标系xyz与空间直角坐标系XYZ的转化关系示意图；
图4(a)为根据本发明实施例将NVα轴旋转至沿z轴方向的过程示意图；
图4(b)为根据本发明实施例将NVα轴旋转至沿y轴方向的过程示意图；
图5为根据本发明实施例的NV轴向标定实验系统示意图；
图6(a)为根据本发明实施例的线圈磁场为零时测得的ODMR信号示意图；
图6(b)为根据本发明实施例的线圈磁场为Bz+与Bz-时测得的ODMR数据对比示意图；
图7(a)-(d)为根据本发明实施例的亥姆霍兹线圈磁场产生步骤示意图；
图8为根据本发明实施例的NV轴向旋转调节及微波近场矢量测量系统示意图；
图9为根据本发明实施例的NV轴沿z轴方向时施加z轴方向磁场NV色心ODMR谱示意图；
图10为根据本发明实施例的平面波导线微波近场矢量xoy、xoz平面分量的分布示意图。
图中：1、计算机；2、脉冲信号发生器；3、声光调制器驱动器；4、带调制功能的微波源；5、钕铁硼永磁体；6、微波开关；7、激光光源；8、声光调制器；9、共聚焦光路；10、雪崩光电二极管；11、锁相放大器；12、锥形光纤；13、亥姆霍兹线圈；14、具有NV色心的微米级金刚石颗粒；15、微波天线；16、可调电流源；100、线圈产生的Z轴正向磁场；200、线圈产生的Z轴反向磁场；300、线圈产生的Y轴正向磁场；400、线圈产生的Y轴反向磁场；8001、亥姆霍兹线圈；8002、线圈产生的Z轴正向磁场；8003、具有NV色心的金刚石颗粒；8004、锥形光纤；8005、二维旋转平台；8006、微波近场测量元件；8007、xy二维线性位移扫描平台。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明基于金刚石NV色心的光学性质和矢量敏感特性，利用末端粘有金刚石NV色心的锥形光纤探头作为传感器，提供了一种微波器件表面的微波近场矢量测量方法，使得能够利用不同轴向的NV色心荧光信号的变化实现微波器件的微波近场矢量的高分辨率扫描测量。本发明方法首先测量出金刚石NV色心中NV轴在空间直角坐标系中的准确指向，其次利用空间旋转的方式将其中一种NV轴方向分别旋转至平行于空间直角坐标系中xyz轴，并分别在不同NV轴方向下进行微波近场矢量扫描测量，得出微波近场矢量分布。
作为一种实施方式，测量出金刚石NV色心中NV轴在空间直角坐标系中的准确指向，即进行NV轴向标定的步骤包括：
步骤1，建立NV坐标系与空间直角坐标系转换模型。
根据图1(a)，利用四种不同指向的NV轴α、β、γ、δ建立金刚石NV坐标系，该坐标系中每个轴向之间的角度为109.28°，其与固定空间直角坐标系之间的相对方向如图1(b)所示。如果要将一个固定矢量投影在NV轴分量上的三分量数据转换为空间直角坐标系三分量数据，需要建立两个坐标之间的转换关系，该转换关系可以通过两步来建立。
第一步，将NV坐标系转化为理想正交坐标系。
设理想正交坐标系中的坐标轴为x、y、z，NV坐标系的坐标轴分别为α、β、γ、δ；设z与α轴重合，β位于xOz平面内，根据金刚石的晶体结构可知，β、γ、δ三轴与xOy平面之间的夹角相等，为a＝19.28°；γ轴与δ轴在xOy平面内的投影与x轴的夹角分别为b＝120°以及c＝-120°，如图2所示。因此，能够得到NV坐标系下分量BNV＝[Bα Bβ Bγ Bδ]T向理想三轴直角坐标系下分量Bo＝[Box Boy Boz]T转换的模型如式(1)所示。
BNV＝KoNBo (1)
其中，矩阵
Figure BDA0002541995620000071
为理想正交坐标系到NV坐标系的转换矩阵。
另外，根据式(1)可以得出NV坐标系到理想正交坐标的转换模型如(2)所示
Bo＝KNoBNV (2)
其中，矩阵
Figure BDA0002541995620000072
第二步，将理想正交坐标系xyz转化为空间直角坐标系XYZ。
在上一步中，定义的理想正交坐标系的z轴与NV坐标α轴重合。而在颗粒放置过程中，我们无法得知α轴的指向，同时无法保证α轴与空间直角坐标系Z轴重合，因此需要建立上一步中得到的正交坐标系xyz到空间直角坐标系XYZ的转化关系，如图3所示。
XYZ坐标系经过三次旋转能够得到xyz坐标系。首先，令空间直角坐标系XYZ绕轴Z轴逆时针旋转
Figure BDA0002541995620000073
角，得到中间坐标系x1y1Z；其次，令中间坐标系x1y1Z绕x1轴逆时针旋转θ角，得到第二个中间坐标系x1yz1；最后，令中间坐标系x1yz1绕y轴逆时针旋转ω角，得到xyz坐标系。这两个坐标系之间三分量转换公式如式(3)所示。
Figure BDA0002541995620000081
根据以上两步，能够建立起NV坐标系与空间直角坐标之间的转换关系，如式(4)所示
BNV＝KoNKeoBe (4)
由于金刚石样品中NV轴指向在空间中是随机的，所以矩阵Keo中
Figure BDA0002541995620000082
角是未知的。因此，只要得到
Figure BDA0002541995620000083
的值，就可以建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的转换关系。
步骤2，解析模型参数。
为了解析式(4)中的
Figure BDA0002541995620000084
值，需要得到已知的外部磁场矢量NV坐标系下的磁场分量，并利用式(1)将其转化为理想三轴直角坐标系下的三分量Bo进行运算分析。
沿着空间直角坐标系中Z轴的两个强度相同Bb方向相反的磁场矢量Be+＝[0 0 Bb]T与Be-＝[0 0 -Bb]T，其在理想三轴直角坐标系下具有不同的分量值Bo+与Bo-，根据式(3)可以得到它们之间的关系如下：
Figure BDA0002541995620000085
根据式(5)可以得出θω值，如式(6)所示。
Figure BDA0002541995620000086
同理，沿着空间直角坐标系中Y轴的两个强度相同方向相反的磁场矢量在理想三轴直角坐标系下的三分量B'o+与B'o-之间具有类似的关系，从而可以得出
Figure BDA0002541995620000087
值如(7)所示。
Figure BDA0002541995620000091
作为一种实施方式，利用空间旋转的方式将其中一种NV轴方向分别旋转至平行于空间直角坐标系中xyz轴，并分别在不同NV轴方向下进行微波近场矢量扫描测量，得出微波近场矢量分布，具体包括：
根据式(4)，能够得出空间直角坐标向NV坐标系转换的矩阵KeN如(8)所示
Figure BDA0002541995620000092
其中，KeN为一个4×3的矩阵，各个元素为金刚石中四条NV轴向分别与空间直角坐标系xyz轴方向的夹角余弦值。
为了进行微波近场的矢量测量，需要将其中一条NV轴旋转至分别平行于直角坐标系xyz轴方向同时进行近场扫描测量。图4(a)中显示了将NV轴旋转至z轴方向的过程。第一步将NV坐标系中的α轴绕y轴旋转至yoz平面得到α'轴向，旋转角度θy为α轴在xoz平面上的投影αxz与z轴之间的夹角，根据式(8)中元素，该角度的计算方法如下：
Figure BDA0002541995620000093
第二步将得到α'轴向绕x轴旋转至z轴方向，旋转角度θx为α'轴与z轴之间的夹角，θx＝90°-Aαy。另外，还可以将得到α'轴向绕x轴旋转至y轴方向，旋转角度θx＝Aαy，如图4(b)所示。
同理，将NV轴旋转至x轴方向的过程也需要两步，第一步将NVα轴绕x轴旋转至xoz平面，第二步将绕y轴旋转至x轴方向。
分别在上述不同NV轴方向下进行微波近场矢量扫描测量，即可得出微波近场矢量分布。
实施例
请参阅图5到图10，本实施例提供一种基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法，具体包括：(1)金刚石NV轴方向指向测量；(2)NV轴方向旋转调节及微波近场矢量测量。
(1)金刚石NV轴方向指向测量具体包括：
搭建NV轴向标定实验系统，如图5所示。该系统主要由两部分构成，分别为NV色心磁场敏感部分以及用于NV色心荧光收集的共聚焦光路系统，其主要用于得到已知的固定磁场矢量在NV坐标系下的各分量值。
在NV色心磁场敏感部分中，利用UV胶将10um金刚石颗粒固定于锥形光纤的尖端。螺旋天线连接于微波源用于产生微波信号，其谐振频率为2.87GHz，谐振带宽200MHz。亥姆霍兹线圈连接高精度电流源，用于产生均匀的可调直流磁场。光纤末端的金刚石颗粒固定于亥姆霍兹线圈的中心，同时靠近天线磁场分布的最强点。钕铁硼永磁体放置于金刚石颗粒附近，为NV色心ODMR谱劈裂为八个峰提供固定磁场。
在共聚焦光路系统中，脉冲信号发生器用于产生控制。532nm激光器产生的绿色激光经过透镜聚焦后进入声光调制器(AOM)进行激光脉冲时序控制，由AOM射出的发散光经过透镜转为平行光并由二向色镜反射进入长工作距离物镜聚焦，聚焦后的光线通过锥形光线的柱形截面端照射至金刚石中。金刚石产生的红色荧光信号经过长工作距离物镜转化为平行光并穿过二向色镜进入物镜聚焦。聚焦后的红色荧光由APD接收并转为电信号，锁相放大器利用脉冲信号发生器产生的激光微波二次调制信号对该电信号进行采集解调。
在整个实验过程中，NV色心在空间中的位置应始终保持固定，荧光激发为脉冲波激发。在线圈磁场为零时，首先调节永磁体相对于金刚石的位置方向，直到测得ODMR谱信号出现离散的8个峰。为了减小随机误差影响，同时采集10组ODMR数据进行均值运算，并对运算结果进行洛伦兹拟合分析，如图6(a)所示。将每对谱峰所对应的轴向依次定义为α、β、γ、δ轴，并记录下得到每对谱峰的劈裂宽度fα、fβ、fγ、fδ。其中，每对谱峰的劈裂是由永磁体产生的磁场矢量在对应的NV轴向上的磁场分量所引起的，当该磁场较弱时|B|＜＜D/geβe(D＝2.87GHz)，每对谱峰的劈裂宽度fn与对应的磁场分量强度Bn成固定比例关系，如式(10)所示。
fn≈2geβeBn (10)
其中，ge朗德因子，βe为玻尔磁子。
线圈轴向分别令线圈产生沿空间直角坐标系Z轴的强度相同方向相反的两种线圈磁场Bz+与Bz-，如图7(a)(b)所示，同时测量其ODMR信号并进行洛伦兹拟合。图6(b)为线圈磁场Bz+与Bz-时测得的ODMR拟合数据对比。从图中可以看出，在永磁体产生的磁场引起各ODMR谱峰发生劈裂的基础上，线圈磁场导致了每对谱峰的劈裂宽度产生变化。根据图6(a)中的结果，能够得到不同线圈磁场强度下的每对谱峰劈裂宽度的变化量ΔF＝[Δfα,Δfβ,Δfγ,Δfδ]T。由于线圈产生的磁场同样较弱，因此利用式(10)可以计算得出沿着Z轴正反方向的线圈磁场在NV坐标系下的磁场分量。其次，利用式(2)将该分量值转化为理想正交坐标系下的三分量磁场值，并通过式(6)计算得出θω值。
另外，将线圈绕x轴旋转90°后，如图7(c)(d)所示，分别令线圈产生沿空间直角坐标系Y轴的强度相同方向相反的两种线圈磁场，同时测量其ODMR信号并进行洛伦兹拟合。同理，通过式(7)以及以上得到的θω值可以计算得出
Figure BDA0002541995620000111
值。
(2)NV轴方向旋转调节及微波近场矢量测量
NV轴向旋转调节及微波近场矢量测量实验系统如图8所示。根据上步计算出的
Figure BDA0002541995620000112
值根据式(4)，能够计算得出空间直角坐标向NV坐标系转换的矩阵KeN，并根据计算得出的矩阵KeN中的元素值，得到将NV轴分别调节到空间直角坐标系xyz轴方向进行两步旋转角度θy与θx值。利用二维旋转平台分别将NV轴旋转计算角度值。
图8中显示了将NV色心中NVα轴旋转至z轴方向的状态。利用亥姆霍兹线圈产生沿z轴方向的磁场，测得ODMR谱信号出现离散的4个峰如图9所示，其中两边的谱峰对应的是NVα轴，中间的一对谱峰对应的是β、γ、δ轴。调节亥姆霍兹线圈产生磁场的强度令ODMR四个谱峰中外侧一条谱峰的中心频率移动至被测器件的工作频率。
将被测器件连接微波源，并设置微波源输出频率为器件工作频率，设置微波持续时间为100微秒，设置xy二维线性位移扫描平台的扫描区域。在平台扫描运动的同时，采集NV色心的荧光信号，最后形成微波近场矢量xoy平面分量的分布成像。
类似的，将NVα轴旋转至x、y轴方向，并施加x、y轴方向的静磁场，同理形成微波近场矢量yoz、xoz平面分量的分布成像。平面波导线微波近场矢量xoy、xoz平面分量的分布如图10所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法，其特征在于，包括：
测量金刚石NV色心中NV轴在空间直角坐标系中的指向；
第一步，将NV坐标系转化为理想正交坐标系；
设理想正交坐标系中的坐标轴为x、y、z，NV坐标系的坐标轴分别为α、β、γ、δ；设z与α轴重合，β位于xOz平面内，根据金刚石的晶体结构可知，β、γ、δ三轴与xOy平面之间的夹角相等，为a＝19.28°；γ轴与δ轴在xOy平面内的投影与x轴的夹角分别为b＝120°以及c＝-120°，能够得到NV坐标系下分量BNV＝[Bα Bβ Bγ Bδ]T向理想三轴直角坐标系下分量Bo＝[BoxBoy Boz]T转换的模型如式(1)所示：
BNV＝KoNBo (1)
其中，矩阵
Figure FDA0003529957210000011
为理想正交坐标系到NV坐标系的转换矩阵；
另外，根据式(1)得出NV坐标系到理想正交坐标的转换模型如(2)所示：
Bo＝KNoBNV (2)
其中，矩阵
Figure FDA0003529957210000012
第二步，将理想正交坐标系xyz转化为空间直角坐标系XYZ；
首先，令空间直角坐标系XYZ绕轴Z轴逆时针旋转
Figure FDA0003529957210000013
角，得到中间坐标系x1y1Z；其次，令中间坐标系x1y1Z绕x1轴逆时针旋转θ角，得到第二个中间坐标系x1yz1；最后，令中间坐标系x1yz1绕y轴逆时针旋转ω角，得到xyz坐标系；这两个坐标系之间三分量转换公式如式(3)所示：
Figure FDA0003529957210000021
根据以上两步，建立起NV坐标系与空间直角坐标之间的转换关系，如式(4)所示：
BNV＝KoNKeoBe (4)
沿着空间直角坐标系中Z轴的两个强度相同Bb方向相反的磁场矢量Be+＝[0 0 Bb]T与Be-＝[0 0 -Bb]T，其在理想三轴直角坐标系下具有不同的分量值Bo+与Bo-，根据式(5)得到它们之间的关系如下：
Figure FDA0003529957210000022
根据式(5)得出θω值，如式(6)所示：
Figure FDA0003529957210000023
同理，沿着空间直角坐标系中Y轴的两个强度相同方向相反的磁场矢量在理想三轴直角坐标系下的三分量B'o+与B'o-之间具有类似的关系，得出
Figure FDA0003529957210000024
值如(7)所示：
Figure FDA0003529957210000025
根据式(4)，能够得出空间直角坐标向NV坐标系转换的矩阵KeN如(8)所示
Figure FDA0003529957210000031
其中，KeN为一个4×3的矩阵，各个元素为金刚石中四条NV轴向分别与空间直角坐标系xyz轴方向的夹角余弦值；
利用空间旋转的方式将其中一种NV轴方向分别旋转至平行于空间直角坐标系中xyz轴，并分别在不同NV轴方向下进行微波近场矢量扫描测量，得出微波近场矢量分布。
2.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法，其特征在于，所述方法基于NV轴向标定系统获取各NV轴指向角度，所述NV轴向标定系统包括NV色心磁场敏感部分和共聚焦光路系统；
在NV色心磁场敏感部分：金刚石颗粒固定于锥形光纤的尖端；螺旋天线连接于微波源用于产生微波信号；亥姆霍兹磁场线圈连接高精度电流源，用于产生均匀的可调直流磁场；光纤末端的金刚石颗粒固定于亥姆霍兹线圈的中心，同时靠近天线磁场分布的最强点；钕铁硼永磁体放置于金刚石颗粒附近，为NV色心ODMR谱劈裂为八个峰提供固定磁场；
在共聚焦光路系统：脉冲信号发生器用于产生控制；激光器产生的激光经过透镜聚焦后进入声光调制器进行激光脉冲时序控制，由声光调制器射出的发散光经过透镜转为平行光并由二向色镜反射进入长工作距离物镜聚焦，聚焦后的光线通过锥形光纤的柱形截面端照射至金刚石中；金刚石产生的红色荧光信号经过长工作距离物镜转化为平行光并穿过二向色镜进入物镜聚焦；聚焦后的红色荧光由锁相放大器接收并转为电信号，锁相放大器利用脉冲信号发生器产生的激光微波二次调制信号对该电信号进行采集解调。
3.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
将所述任一NV轴方向旋转至z轴方向，施加z轴方向的静磁场，测量微波近场矢量xoy平面分量的分布成像；
将所述任一NV轴方向旋转至x轴方向，施加x轴方向的静磁场，测量微波近场矢量yoz平面分量的分布成像；
将所述任一NV轴方向旋转至y轴方向，施加y轴方向的静磁场，测量微波近场矢量xoz平面分量的分布成像；
基于微波近场矢量分别在xoy平面分量的分布成像、yoz平面分量的分布成像、xoz平面分量的分布成像，得到微波近场矢量分布。
4.根据权利要求3所述的基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法，其特征在于，
将所述任一NV轴方向旋转至z轴方向进一步包括：
将所述任一NV轴方向绕y轴旋转至yoz平面，再绕x轴旋转至z轴方向。
5.根据权利要求3所述的基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法，其特征在于，将所述任一NV轴方向旋转至x轴方向进一步包括：
将所述任一NV轴方向绕x轴旋转至xoz平面，再绕y轴旋转至x轴方向。
6.根据权利要求3所述的基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法，其特征在于，将所述任一NV轴方向旋转至y轴方向进一步包括：
将所述任一NV轴方向绕y轴旋转至yoz平面，再绕x轴旋转至y轴方向。
7.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心的微波近场矢量测量方法，其特征在于，所述方法基于NV轴向旋转调节及微波近场矢量测量系统实现，所述NV轴向旋转调节及微波近场矢量测量系统包括亥姆霍兹线圈、具有NV色心的金刚石颗粒、锥形光纤、二维旋转平台、微波近场测量元件和xy二维线性位移扫描平台；亥姆霍兹线圈用于产生均匀的可调直流磁场；具有NV色心的金刚石颗粒固定于锥形光纤的尖端；锥形光纤末端的金刚石颗粒固定于亥姆霍兹线圈的中心；二维旋转平台用于旋转金刚石颗粒的NV轴；xy二维线性位移扫描平台用于扫描测量微波近场矢量分布。
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