CN111678896B - 一种金刚石nv色心荧光高效率收集装置 - Google Patents

一种金刚石nv色心荧光高效率收集装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种金刚石NV色心荧光高效率收集装置，属于金刚石NV色心的荧光探测领域，该装置有望应用于基于金刚石NV色心的量子计算机、重力梯度仪、加速度计、温度计和单光子成像仪等各类量子探测器件上。本发明技术方案采用红色荧光和远红外荧光的同相双收集，极大地提高了荧光收集的比例；采用抛物面反射镜对金刚石NV色心激发的荧光进行反射，并利用菲涅尔平面透镜进行平行聚焦，在遮光筒的共同作用下，最大限度减小了光线的逸散，实现了荧光的高效聚集；采用具有高指向性和高增益的轴向螺旋天线提供高效率的微波激励，实现了高效率光磁共振，增加了金刚石NV色心产生红色荧光的强度。

Description

一种金刚石NV色心荧光高效率收集装置
技术领域
本发明属于金刚石NV色心的荧光探测领域，具体涉及一种块状金刚石NV色心荧光的高效率收集装置，有望应用于基于金刚石NV色心的量子计算机、重力梯度仪、加速度计、温度计和单光子成像仪等各类量子探测器件上。
背景技术
金刚石NV色心(Nitrogen-vacancy center)是一种特殊的金刚石晶格缺陷结构，金刚石正四面体一条边上的两个碳原子分别被一个氮原子和一个空穴所替代，所形成的金刚石NV色心在室温下具有稳定光学特征、电子自旋特征和理想的固态量子比特等性质，可以应用到量子存储、量子计算机、单分子成像、高精度量子陀螺仪、高精度量子加速度计和高精度重力梯度仪等领域。
金刚石NV色心与外界电磁场耦合强度较弱，且现阶段金刚石中氮空位的含量一般低于1ppm，因此金刚石NV色心所产生的荧光十分微弱。因此，对金刚石NV色心所产生的荧光进行高效率收集能够实现高灵敏度量子传感和量子探测，具有十分重要的意义。当金刚石NV色心的尺寸在纳米量级时，主要应用于单分子成像，目前广泛采用Purcell效应、凹形反射微腔、Fabry–Pérot反射腔和阵列纳米柱等方法收集；但是当金刚石NV色心的尺寸在毫米量级时，主要应用于普通的磁场探测成像，目前广泛采用的方法包括反射荧光收集法、侧边荧光收集法和正向荧光收集法。其中，反射荧光收集法主要借助高数值孔径的目镜，但由于金刚石NV色心内部的全反射效应，只有极少数金刚石NV色心激发的光子能够到达目镜，导致收集效率较低，一般低于10％；再考虑到探测器与光子的耦合效率，实际探测效率常常只有2％左右。正向荧光收集法和侧向收集法会导致大量出射光的损失，整体荧光收集效率也不高。虽然一些改进的正向荧光收集方法通过减少出射荧光和光电探测器的距离能够提高收集效率，但是最终收集效率仍然较低。
考虑到金刚石NV色心存在亚稳态，另一种新兴的金刚石NV色心收集方法采用双路激光激发，并收集亚稳态所激发的远红外荧光，收集效率比单独只收集红色荧光的效率高，并且能够提高信号的保真度和信噪比，但是该方法所收集到的荧光占金刚石NV色心所激发的荧光比例仍然偏小。另一方面，传统的金刚石NV色心荧光收集系统中，常常采用四分之一波长的直线形天线对金刚石NV色心进行微波激励，激励效率较低，微波和光的耦合度较差，光磁共振的强度不够高。
发明内容
针对背景技术所存在的现有毫米级金刚石NV色心荧光收集效率较低的问题，本发明的目的在于提供一种金刚石NV色心荧光高效率收集装置。该装置通过采用红色荧光和远红外荧光的同相双收集、减少反射光线的散逸和提高光磁耦合强度等措施，提高了毫米级金刚石NV色心荧光收集效率。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种金刚石NV色心荧光高效率收集装置，其特征在于，包括泵浦光路、探针光路、荧光反射装置、金刚石NV色心、荧光探测与耦合装置、微波耦合天线；所述泵浦光路和探针光路分别产生532nm和980nm的激光，实现对金刚石NV色心的激发，金刚石NV色心对应产生的红色荧光和远红外荧光，两路荧光经荧光反射装置入射到荧光探测与耦合装置，所述微波耦合天线用于产生微波激励，增强荧光信号。
进一步地，所述泵浦光路依次包括532nm激光器、第一AOM声光调制、532nm带通滤光片、第一二向色镜和目镜；所述探针光路依次包括980nm激光器、第二AOM调制器、980nm带通滤光片、第二二向色镜和目镜；所述泵浦光路和探针光路的目镜为同一个目镜；激光器产生的激光依次经过AOM声光调制、带通滤光片、二向色镜，然后进入目镜。
进一步地，所述目镜的数值孔径为0.8～1.4，所述第一二向色镜为长波通二向色镜，能够实现532nm波长反射、637nm以上波长通过；所述第二二向色镜为特制二向色镜，能够实现980nm波长反射，637～800nm波长和1042波长通过。
进一步地，所述泵浦光路激励金刚石NV色心结束后等待时间τ，探针光路开始激励金刚石NV色心，并同步开启荧光探测与耦合装置实现荧光探测，其中，等待时间τ小于金刚石NV色心的荧光寿命。
进一步地，所述荧光反射装置依次包括遮光筒、菲涅尔平面透镜和抛物面反射镜；目镜和抛物面反射镜共焦点，所述金刚石NV色心设置于焦点处，菲涅尔平面透镜设置于金刚石NV色心和目镜之间，实现对反射光(色心受激发后产生的荧光)的平行聚焦；遮光筒设置于目镜外，其一侧与抛物面反射镜外侧相切，实现对杂散发射光的遮蔽。
进一步地，所述抛物面反射镜内表面涂有全反射膜，能够对637～780nm红色荧光和1042nm远红外荧光实现全反射。
进一步地，所述荧光探测与耦合装置包括第三二向色镜、红色荧光探测装置、远红外荧光探测装置、同相耦合器和锁相放大器；所述红色荧光探测装置包括637～800nm带通滤光片、637～800nm光电探测器，所述远红外荧光探测装置包括1042nm带通滤光片、1042nm光电探测器；所述第三二向色镜能够实现637～800nm波长反射，1042nm波长通过；所述金刚石NV色心受泵浦光路和探针光路激发产生的红色荧光和远红外荧光分别被红色荧光探测装置和远红外荧光探测装置检测，然后通过同相耦合器同相相加后送至锁相放大器进行荧光读出。
进一步地，所述微波耦合天线为轴向螺旋天线，其直径和波长的比值范围在0.25～0.46之间，工作频率为2.87GHz；所述微波耦合天线设置于金刚石NV色心周围，使金刚石NV色心位于天线的半功率波束覆盖范围内。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明技术方案采用泵浦光路和探针光路分别对金刚石NV色心的NV-电荷态和亚稳态进行激发，并对应产生红色荧光和远红外荧光，经红色荧光探测装置和远红外荧光探测装置分别收集后同相相加读出，极大地提高了荧光收集的比例。
2.本发明还采用抛物面反射镜对金刚石NV色心激发的荧光进行反射，并利用菲涅尔平面透镜进行平行聚焦，在遮光筒的共同作用下，最大限度减小了光线的逸散，实现了荧光的高效聚集。
3.本发明创新性地采用具有高指向性和高增益的轴向螺旋天线提供高效率的微波激励，实现了高效率光磁共振，增加了金刚石NV色心产生红色荧光的强度。
附图说明
图1为本发明金刚石NV色心高效率收集装置的系统框图；
其中，1是532nm激光器，2是第一AOM声光调制器，3是532nm带通滤光片，4是第一二向色镜(532nm波长反射，637nm以上波长通过)，5是目镜，6是遮光筒，7是金刚石NV色心，8是菲涅尔平面透镜，9是抛物面反射镜，10是轴向螺旋天线，11是980nm激光器，12是第二AOM声光调制器，13是980nm带通滤光片，14是第二二向色镜(980nm波长反射，637～800nm波长和1042波长通过)，15是第三二向色镜(637～800nm波长反射，1042nm波长通过)，16是637～800nm带通滤光片，17是637～800nm光电探测器，18是1042nm带通滤光片，19是1042nm光电探测器，20是同相耦合器。
图2为金刚石NV色心的能级分布图；
其中，直线代表激发所用的激光波长，曲线代表所产生的荧光的波长，|0>表示ms为0的态，|±1>表示ms为±1的态，1A到1E组成亚稳态。
图3为本发明泵浦光路和探针光路中的两个激光器工作和荧光产生时序图；
其中，忽略光路传播带来的时间差。
图4为本发明轴向螺旋天线与金刚石NV色心位置示意图；
其中，水滴形虚线所围成的范围为轴向螺旋天线的电场分布图，即天线的半功率波束覆盖范围。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
一种金刚石NV色心荧光高效率收集装置，如图1所示，该装置分为六个部分，分别是泵浦光路、探针光路、荧光反射装置、金刚石NV色心、荧光探测与耦合装置、微波耦合天线；为了能够实现对红色荧光和远红外荧光的探测，需要采用两路激光对金刚石NV色心进行激发。一路是传统的基态到激发态的激发，称为泵浦光路，产生532nm的激光，实现金刚石NV色心从基态到激发态的激发，在此条件下，金刚石NV色心主要产生637～780nm红色荧光；另一路是新加的亚稳态激发，称为探针光路，产生980nm的激光，实现对金刚石NV色心亚稳态中的1E到1A态激发，在此条件下，金刚石NV色心主要产生1042nm远红外荧光。两路荧光经荧光反射装置入射到荧光探测与耦合装置分别进行收集，收集后通过同相耦合器同相相加后送至锁相放大器进行探测，所述微波耦合天线用于产生微波激励，增强荧光信号。
泵浦光路由532nm激光器(1)、第一AOM调制器(2)、532nm带通滤光片(3)、第一二向色镜(4)和高数值孔径目镜(5)组成。532nm激光器(1)所发出的光经过杂散光滤除，并由AOM调制器(2)调制后，通过一组透镜对光束的大小进行整形，整形后的光束经过532nm带通滤光片(3)进一步滤除多余的光线，通过长波通二向色镜(4)右折90°后送至高数值孔径目镜(5)，目镜的推荐的数值孔径为0.8～1.4；其中长波通二向色镜(4)能够实现532nm波长反射，637nm以上波长通过。
探针光路由980nm激光器(11)、第二AOM调制器(12)、980nm带通滤光片(13)、第二二向色镜(14)和高数值孔径目镜(5)组成。980nm激光器(11)所发出的光经过杂散光滤除，并由AOM调制器(12)调制后，通过一组透镜对光束的大小进行整形，整形后的光束经过980nm带通滤光片(13)进一步滤除多余的光线，通过特制二向色镜(14)右折90°后送至高数值孔径目镜(5)；特制二向色镜(14)能够使980nm波长反射，637～800nm波长和1042波长通过。
荧光反射装置由遮光筒(6)、菲涅尔平面透镜(8)和抛物面反射镜(9)组成。遮光筒(6)的内表面涂有红光和远红外的全反射膜，紧贴目镜外侧安装，遮光筒(6)的下侧与抛物面反射镜(9)的上表面相切。抛物面反射镜(9)内表面涂有红光和远红外的反射膜，其半径设计为能够实现637～800nm的光红光和1042nm的远红外光全反射，其焦点处安装金刚石NV色心(7)。菲涅尔平面透镜(8)安装在目镜(5)和金刚石NV色心(7)之间，其厚度为1mm，半径等于遮光筒(6)的半径，外半径和物距优化能够最大限度实现对反射光的聚焦。
荧光探测与耦合装置包括第三二向色镜(15)、红色荧光探测装置、远红外荧光探测装置、同相耦合器(20)和锁相放大器；所述红色荧光探测装置包括637～800nm带通滤光片(16)、637～800nm光电探测器(17)，所述远红外荧光探测装置包括1042nm带通滤光片(18)、1042nm光电探测器(19)；第三二向色镜(15)能够实现637～800nm波长反射，1042nm波长通过。通过第三二向色镜(15)的红光经过637～800nm带通滤光片(16)滤光后，由637～800nm光电探测器(17)接收，光电探测器所转换的电信号送至同相耦合器(20)；通过第三二向色镜(15)的远红外荧光经过1042nm带通滤光片(18)滤光后，由1042nm光电探测器(19)接收，光电探测器(19)所转换的电信号送至同相耦合器(20)。系统中采用3dB威尔金森耦合器实现两路信号的同相耦合。
图2为金刚石NV色心的能级分布图，532nm的激光实现金刚石NV色心从基态到激发态的激发，在此条件下，金刚石NV色心主要产生红637～780nm色荧光；980nm的激光实现对金刚石NV色心亚稳态中的1E到1A态激发，在此条件下，金刚石NV色心主要产生1042nm远红外荧光
图3为本发明泵浦光路和探针光路中的两个激光器工作和荧光产生时序图；泵浦光路激励时，探针光路、荧光探测与耦合装置均关闭，当泵浦光路所发出的红光信号稳定后，关闭泵浦光路；等待时间τ后打开探针光路和荧光探测与耦合装置；时间τ应该小于金刚石NV色心(7)的荧光寿命。在实验中所用的金刚石NV色心(7)的荧光寿命为20ns，因此时间τ设置为10ns。
图4为本发明轴向螺旋天线与金刚石NV色心位置示意图；微波耦合所用的轴向螺旋天线(10)安装在金刚石NV色心的侧上方，由塑料支架支撑。轴线螺旋天线(10)的信号由信号发生器提供，信号为已调制的2.87GHz的微波信号，并且能够实现信号的功率扫描。轴线螺旋天线(10)的轴比控制在0.25-0.46之间，其方向图的中心轴线与金刚石NV色心(7)共线，金刚石NV色心(7)保持在轴线螺旋天线(10)的半功率波束范围内。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种金刚石NV色心荧光高效率收集装置，其特征在于，包括泵浦光路、探针光路、荧光反射装置、金刚石NV色心、荧光探测与耦合装置、微波耦合天线；所述泵浦光路和探针光路分别产生532nm和980nm的激光，实现对金刚石NV色心的激发，金刚石NV色心对应产生的红色荧光和远红外荧光，两路荧光经荧光反射装置入射到荧光探测与耦合装置，所述微波耦合天线用于产生微波激励，增强荧光信号；所述荧光反射装置依次包括遮光筒、菲涅尔平面透镜和抛物面反射镜；目镜和抛物面反射镜共焦点，所述金刚石NV色心设置于焦点处，菲涅尔平面透镜设置于金刚石NV色心和目镜之间，实现对反射光的平行聚焦；遮光筒设置于目镜外，其一侧与抛物面反射镜外侧相切，实现对杂散发射光的遮蔽；所述抛物面反射镜内表面涂有全反射膜，能够对637～780nm红色荧光和1042nm远红外荧光实现全反射。
2.如权利要求1所述金刚石NV色心荧光高效率收集装置，其特征在于，所述泵浦光路依次包括532nm激光器、第一AOM声光调制、532nm带通滤光片、第一二向色镜和目镜；所述探针光路依次包括980nm激光器、第二AOM调制器、980nm带通滤光片、第二二向色镜和目镜；所述泵浦光路和探针光路的目镜为同一个目镜；激光器产生的激光依次经过AOM声光调制、带通滤光片、二向色镜，然后进入目镜。
3.如权利要求2所述金刚石NV色心荧光高效率收集装置，其特征在于，所述目镜的数值孔径为0.8～1.4，所述第一二向色镜为长波通二向色镜，能够实现532nm波长反射、637nm以上波长通过；所述第二二向色镜为特制二向色镜，能够实现980nm波长反射，637～800nm波长和1042波长通过。
4.如权利要求1所述金刚石NV色心荧光高效率收集装置，其特征在于，所述泵浦光路激励金刚石NV色心结束后等待时间τ，探针光路开始激励金刚石NV色心，并同步开启荧光探测与耦合装置实现荧光探测，其中，等待时间τ小于金刚石NV色心的荧光寿命。
5.如权利要求1所述金刚石NV色心荧光高效率收集装置，其特征在于，所述荧光探测与耦合装置包括第三二向色镜、红色荧光探测装置、远红外荧光探测装置、同相耦合器和锁相放大器；所述红色荧光探测装置包括637～800nm带通滤光片、637～800nm光电探测器，所述远红外荧光探测装置包括1042nm带通滤光片、1042nm光电探测器；所述第三二向色镜能够实现637～800nm波长反射，1042nm波长通过；所述金刚石NV色心受泵浦光路和探针光路激发产生的红色荧光和远红外荧光分别被红色荧光探测装置和远红外荧光探测装置检测，然后通过同相耦合器同相相加后送至锁相放大器进行荧光读出。
6.如权利要求1所述金刚石NV色心荧光高效率收集装置，其特征在于，所述微波耦合天线为轴向螺旋天线，其直径和波长的比值范围在0.25～0.46之间，工作频率为2.87GHz；所述微波耦合天线设置于金刚石NV色心周围，使金刚石NV色心位于天线的半功率波束覆盖范围内。
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