CN111679098A - 一种基于金刚石nv色心的磁性液体差分加速度计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，属于量子传感与量子探测领域，主要应用于航空遥感、地球引力探测、油气藏探测、重力潮汐观测和地球自由核章动检测等领域。本发明加速度计包括金刚石NV色心荧光激发及收集光路、金刚石NV色心探头装置、加速度检测装置和辅助检测电路；仅采用一套金刚石NV色心荧光激发及收集光路装置，通过采用双光纤探头实现对两个检测位的磁场的判断，降低了系统的复杂度和成本；设计的加速度检测装置中通过磁性液体悬浮永磁体，避免了在加速度变化过程中永磁体与侧壁的摩擦，提高了系统的检测精度和灵敏度。

Description

一种基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计
技术领域
本发明属于量子传感与量子探测领域，具体涉及一种基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，主要应用于航空遥感、地球引力探测、油气藏探测、重力潮汐观测和地球自由核章动检测等领域。
背景技术
加速度计不仅能用于汽车防滑驱动系统、防抱死制动系统、安全气囊释放控制系统、车祸报警系统、地震预测、油气藏探测和海潮探测等民用领域，还可以应用于无人机无GPS惯性导航系统、导弹制导与控制、超高声速飞行器探测和火箭探测等军用领域。在涉及地球重力场的加速度探测中，加速度计常常要求能够实现对二阶张量的加速度的精准探测，这就要用到差分加速度计。
常见的差分加速度计种类繁多，比如电容式差分加速度计、MEMS差分加速度计、半导体压阻差分加速度计和超导差分加速度计等。其中精度最高的差分加速度计是基于超导磁悬浮技术和超导量子干涉仪电流检测技术的超导差分加速度计，但是超导差分加速度计需要工作在液氦温区下，体积巨大难以小型化、维护要求高和维护成本高等缺点限制其只能应用于对精度十分敏感的特殊场景。考虑到量子传感的精度能够远超常规传感器的精度，于是构建基于常温量子传感的差分加速度计是近年来的研究热点。
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。金刚石NV色心经光场调制后，能够以极高的空间分辨率探测微弱磁场。考虑到加速度计中的检测质量常常会产生相应的磁场，利用金刚石NV色心的量子传感技术实现差分加速度计是一种可行的方法。
目前公开出版文献中，基于金刚石NV色心的差分加速度计采用两套金刚石NV色心的读出系统，系统较为复杂，成本较高，因此需要进一步简化。
发明内容
针对背景技术所存在现有技术基于金刚石NV色心的差分加速度计采用两路金刚石NV色心荧光激发及读出电路，造成系统复杂度高和成本高昂等问题，本发明的目的在于提供一种基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计。本发明加速度计采用单套金刚石NV色心荧光激发及读出电路，并且采用磁性液体悬浮检测质量，在降低系统的复杂度的同时提高系统的灵敏度。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，其特征在于，包括金刚石NV色心荧光激发及收集光路、金刚石NV色心探头装置、加速度检测装置和辅助检测电路；所述金刚石NV色心荧光激发及收集光路包括激光器、AOM声光调制器、带通滤波器、二向色镜和凸透镜组；所述金刚石NV色心探头装置包括光纤、半球形凹反射腔和金刚石NV色心；所述加速度检测装置包括永磁体、壳体、端盖和磁性液体；所述辅助检测电路包括金属天线、光电探测器、锁相放大器、示波器、微波频率源和功率放大器；所述金刚石NV色心荧光激发及收集光路用于激发金刚石NV色心产生荧光信号，并收集该信号；所述金刚石NV色心探头装置用于提供两路探测，减小误差；所述加速度检测装置用于提供加速度变化过程中的变化磁场；所述辅助检测电路用于提供微波场激励和对荧光信号的读取处理。
进一步地，所述激光器出射的532nm激光经过AOM声光调制器调制后，入射到带通滤波器滤除杂散光，然后经二向色镜改变激光方向后进入凸透镜组，532nm激光经过凸透镜组的聚焦后耦合至光纤中，光纤的末端连接金刚石NV色心，探头装置固定在加速度检测装置壳体表面；当加速度检测装置中的永磁体在加速度的控制下发生位移时，金刚石NV色心在磁场变化下激发波长为637～870nm的荧光；所述荧光被探头装置收集后，再经凸透镜组返回二向色镜，经二向色镜后进入637～780nm的带通滤光片，滤除多余的绿光和杂散光后由光电探测器检测；光电探测器所检测到的荧光信号和微波频率源所生成的参考信号同时送至锁相放大器相减放大，放大后的信号送至示波器进行分析。
532nm激光器发出的光经过金刚石NV色心探头将电子从基态激发到激发态后随即停止。
进一步地，所述金刚石NV色心探头装置中的光纤包括光纤管芯和光纤包皮，所述光纤管芯前端为探针状，金刚石NV色心与光纤管芯前端固定连接，半球形凹反射腔的内直径与光纤的管芯直径相等，外侧与光纤包皮无缝隙连接，反射腔内表面镀有637～870nm的全反射膜，用于实现红色荧光的全反射；所述金刚石NV色心位于半球形凹反射腔的的球心处。
进一步地，所述加速度检测装置包括三个圆柱形永磁体、磁性液体、壳体和端盖，所述壳体和壳体两侧的端盖固定连接形成腔体，三个圆柱形永磁体和磁性液体均设置于腔体内；所述第一永磁体与一侧端盖固定连接，第三永磁体与另一侧端盖固定连接，第二永磁体设置于第一永磁体和第三永磁体距离中心，并与两者相互排斥，所述磁性液体充满腔体。
进一步地，所述金刚石NV色心探头装置有两路，所述两路金刚石NV色心探头装置分别与第一永磁体和第三永磁体未与端盖接触的一极对齐。
进一步地，所述三个圆柱形永磁体的直径小于壳体的直径。
进一步地，所述金属天线设置于金刚石NV色心探头装置附近，用于实现对金刚石NV色心的微波场激励。
进一步地，所述微波频率源的输出分为两路，一路经过功率放大器输送至金属天线；另一路输入锁相放大器作为参考信号，和从光电探测器检测到的荧光信号求差后送至示波器进行读取，所述示波器读取的信号为两个磁场劈裂信号，每个磁场劈裂信号能够反演金刚石N V色心所在位置磁场的大小，由此实现加速度的差分检测。
进一步地，所述金属天线为四分之一波长金属天线，工作频率为2.87GHz。
本发明差分加速度计的工作原理为：中间永磁体在加速度变化过程中产生的相对其他两块永磁体位置变化，使得金刚石NV色心周围的磁场发生变化，从而导致金刚石NV色心的电子自旋共振荧光光谱发生变化，该信号在微波场激励下放大，被光电探测器检测读取从而实现对加速度的探测。
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.本发明仅采用一套金刚石NV色心荧光激发及收集光路装置，通过采用双光纤探头实现对两个检测位的磁场的判断，降低了系统的复杂度和成本；
2.特制的金刚石NV色心探头增加了半球形凹反射腔，增强金刚石NV色心的荧光收集效率，提高了系统的分辨率；
3.本发明设计的加速度检测装置中通过磁性液体悬浮永磁体，避免了在加速度变化过程中永磁体与侧壁的摩擦，提高了系统的检测精度和灵敏度。
附图说明
图1为基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计原理框图；
其中，1为532nm激光器，2为AOM声光调制器，3为532nm带通滤光片，4为二向色镜，5为凸透镜组，6为第一光纤，7为第二光纤，8为第一金刚石NV色心探头装置，9为第二金刚石NV色心探头装置，10为四分之一波长金属天线，11为637～870nm带通滤光片，12为光电探测器，13为锁相放大器，14为示波器，15为微波频率源，16为功率放大器，17为第一永磁体，18为磁悬浮式第二永磁体2，19为第三永磁体，20为磁性液体，21为圆柱形壳体，22为端盖。
图2为金刚石NV色心探头装置示意图；
其中，23为光纤管芯，24为光纤包皮，25为探针状管芯前端，26为金刚石NV色心，27为半球形凹反射腔。
图3为本发明差分加速度计探测的差分信号在示波器上的结果示意图。
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。
如附图1所示，为本发明实施例的基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，该差分加速度计包括金刚石NV色心荧光激发及收集光路、金刚石NV色心探头装置、加速度检测装置和辅助电路部分。
其中，金刚石NV色心荧光激发及收集光路具体为：532nm激光器(1)MW-SL-532发射波长为532nm的激光，经过功率调整和光束直径调整后进入AOM声光调制器(2)，本实施例的AOM调制器型号为M1067-T200L，然后经532nm带通滤波器滤(3)除杂散光，出射光经过二向色镜(4)右折到凸透镜组(5)，经过凸透镜组的聚焦，并在凸透镜组的焦点处采用双透镜的方式分别耦合至第一光纤(6)和第一光纤(7)，第一光纤(6)和第一光纤(7)分别连接第一金刚石NV色心和第二金刚石NV色心。
加速度检测装置由三个圆柱形永磁体、磁性液体(20)、壳体(21)和端盖(22)组成，三个圆柱形永磁体分别为第一永磁体(17)、第二永磁体(18)、第三永磁体(19)，壳体(21)由塑料制成，两端分别通过螺纹连接两个端盖(22)，形成腔体。三个圆柱形永磁体在腔体内从左到右依次安装，磁极为两两相对，相互排斥；其中第一永磁体(17)的南极固定在一侧端盖上，第三永磁体(19)的北极固定在另一侧端盖上，本实施例中端盖的直径为10mm，三个永磁体的直径均为6mm，第一永磁体(17)和第三永磁体(19)高度为10mm，第二永磁体(18)的高度为8mm，第一个永磁体(17)的北极和第二永磁体(18)北极之间的间距为10mm，第三永磁体(19)的南极和第二永磁体(18)南极之间的间距也是10mm，该距离可以根据需要进调整。三个永磁体的材料都是铷铁硼，型号为N38；壳体(21)的材料为亚克力有机玻璃；磁性悬浮液体充满腔体，为煤油基四氧化三铁，其中体积分数为8％，密度为1.13g/cm3，粘度为3.25mPa·s，饱和此话强度为381Gs。
如附图2所示，为本发明金刚石NV色心探头装置。金刚石NV色心探头装置由三部分构成，分别是光纤、金刚石NV色心和半球形凹反射腔，光纤包括光纤管芯(23)和光纤包皮(24)。光纤管芯(23)的前端采用二氧化碳激光器加工成探针状，金刚石NV色心(26)为立方体，其尺寸为1mm*0.5mm*0.5mm，采用粘胶方式固定在探针状光纤管芯(25)前端；半球形凹反射腔(27)同样采用二氧化碳激光器进行加工，其内表面镀有637～870nm的全反射膜，能够实现红色荧光的全反射，反射腔的内直径与光纤管芯(23)直径相等，外侧与光纤包皮(24)无缝隙连接；金刚石NV色心(26)位于半球形凹反射腔的球心位置；所选用的光纤为单模光纤，工作频率覆盖532～870nm。
两个金刚石NV色心探头装置安装在加速度检测装置的壳体(21)表面，第一金刚石N V色心探头(8)的位置对准第一永磁体(17)的北极，第二金刚石NV色心探头(9)的位置对准第三永磁体(19)的南极；当第二永磁体(18)在加速度的作用下发生位移时，会导致其余两个金刚石NV色心感受磁场的变化，并激发波长为637～870nm的红色荧光；荧光被光纤探头装置收集后，在二向色镜(4)的作用下，进入637～780nm的带通滤光片(11)滤除多余的绿光和杂散光，最后由光电探测。
为了实现光探测磁共振，金刚石NV色心还需要工作在稳定的微波激励场中，本方案的微波激励场由微波频率源提供。
辅助检测电路具体包括金属天线、放大器、光电探测器(12)、锁相放大器(13)、微波频率源(15)和示波器(14)；其中，金属天线为四分之一波长金属天线(10)，由圆柱形无氧铜制成，直径为1mm，长度为100mm，将其弯折为U型并固定在加速度检测装置中壳体的表面，U型天线的一端紧靠两个金刚石NV色心探头；
微波频率源(15)采用的是锁相频率源，能够实现扫描和扫功率，具有双端口输出，其中一个端口的输出经过功率放大器(16)放大后送至四分之一波长金属天线(10)，另一个端口的输出送至锁相放大器(13)；锁相放大器除了接收从微波频率源的信号外，还接收从光电探测器的检测信号。本实施例中采用的光电探测器为超快光电探测器，响应时间小于1ns，锁相放大器采用的是OE2041数字锁相放大器，测量范围为1nV到1V，锁相放大器经过两路信号相减后送至示波器进行显示；示波器读取的信号为两个磁场劈裂信号，每个磁场劈裂信号能够反演金刚石NV色心所在位置磁场的大小，由此实现加速度的差分检测。
图3为本发明差分加速度计探测的差分信号在示波器上的结果示意图。从图中可以看出，从示波器上分别两个差分信号是可行的。
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 (10)

1.一种基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，其特征在于，包括金刚石NV色心荧光激发及收集光路、金刚石NV色心探头装置、加速度检测装置和辅助检测电路；所述金刚石NV色心荧光激发及收集光路包括激光器、AOM声光调制器、带通滤波片、二向色镜和凸透镜组；所述金刚石NV色心探头装置包括光纤、半球形凹反射腔和金刚石NV色心；所述加速度检测装置包括永磁体、壳体、端盖和磁性液体；所述辅助检测电路包括金属天线、光电探测器、锁相放大器、示波器、微波频率源和功率放大器；所述金刚石NV色心荧光激发及收集光路用于激发金刚石NV色心产生荧光信号，并收集该信号；所述金刚石NV色心探头装置用于提供两路探测，减小误差；所述加速度检测装置用于提供加速度变化过程中的变化磁场；所述辅助检测电路用于提供微波场激励和对荧光信号的读取处理。
2.如权利要求1所述基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，其特征在于，所述带通滤波片包括532nm带通滤光片和637～780nm的带通滤光片。
3.如权利要求2所述基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，其特征在于，所述激光器出射的532nm激光经过AOM声光调制器调制后，入射到532nm带通滤波片滤除杂散光，然后经二向色镜改变激光方向后进入凸透镜组，532nm激光经过凸透镜组的聚焦后耦合至光纤中，光纤的末端连接金刚石NV色心，532nm激光经过金刚石NV色心将电子从基态激发到激发态后随即停止；金刚石NV色心探头装置固定在加速度检测装置壳体表面，当加速度检测装置中的永磁体在加速度的控制下发生位移时，金刚石NV色心在磁场变化下激发波长为637～870nm的荧光；所述荧光被探头装置收集后，再经凸透镜组返回二向色镜，经二向色镜后进入637～780nm的带通滤光片，滤除多余的绿光和杂散光后由光电探测器检测；光电探测器所检测到的荧光信号和微波频率源所生成的参考信号同时送至锁相放大器相减放大，放大后的信号送至示波器进行分析。
4.如权利要求1所述基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，其特征在于，所述金刚石NV色心探头装置中的光纤包括光纤管芯和光纤包皮，所述光纤管芯前端为探针状，金刚石NV色心与光纤管芯前端固定连接，半球形凹反射腔的内直径与光纤的管芯直径相等，外侧与光纤包皮无缝隙连接，反射腔内表面镀有637～870nm的全反射膜，用于实现红色荧光的全反射；所述金刚石NV色心位于半球形凹反射腔的的球心处。
5.如权利要求1所述基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，其特征在于，所述加速度检测装置包括三个永磁体、磁性液体、壳体和端盖；所述壳体和壳体两侧的端盖固定连接形成腔体，三个圆柱形永磁体和磁性液体均设置于腔体内；所述第一永磁体与一侧端盖固定连接，第三永磁体与另一侧端盖固定连接，第二永磁体设置于第一永磁体和第三永磁体距离中心，并与两者相互排斥，所述磁性液体充满腔体。
6.如权利要求5所述基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，其特征在于，所述金刚石NV色心探头装置有两路，所述两路金刚石NV色心探头装置分别与第一永磁体和第三永磁体未与端盖接触的一极对齐设置。
7.如权利要求5所述基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，其特征在于，所述三个永磁体为圆柱形，其直径均小于壳体的直径。
8.如权利要求1所述基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，其特征在于，所述金属天线设置于金刚石NV色心探头装置附近，用于实现对金刚石NV色心的微波场激励。
9.如权利要求1所述基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，其特征在于，所述微波频率源的输出分为两路，一路经过功率放大器输送至金属天线；另一路输入锁相放大器作为参考信号，和从光电探测器检测到的荧光信号求差后送至示波器进行读取。
10.如权利要求1所述基于金刚石NV色心的磁性液体差分加速度计，其特征在于，所述金属天线为四分之一波长金属天线，工作频率为2.87GHz。
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