CN112083364B - 一种微波场和温度场阵列式定量测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波场和温度场阵列式定量测试系统及方法，其中系统包括激光脉冲发生装置、分束器、微波信号发生装置、脉冲信号发生器、二向色镜、第一物镜、第二物镜、荧光探测装置、扫描装置和计算机；所述脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置分别与计算机电连接；所述激光脉冲发生装置、微波信号发生装置分别与脉冲信号发生器电连接。本发明通过分束器对激光脉冲发生装置产生的激光脉冲信号进行分束，分束后的激光依次通过二向色镜、第一物镜投射到含有金刚石NV色心阵列的扫描装置，所述荧光探测装置对透过二向色镜、第一物镜返回的金刚石产生的荧光强度大小进行分析。本发明还提供了基于该系统的定量测试方法。本发明能够大大提高微波场和温度场定量测量的速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种微波场和温度场测试系统及方法，尤其涉及一种微波场和温度场阵列式定量测试系统及方法。
背景技术
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，能够感知芯片表面的磁场强弱，能提供高达纳米级的分辨率，具有体积小、退相干时间长等特点。它具有两个特征明确的带电状态：中性(NV0)或带负电(NV-，简称NV色心)。NV色心在正常环境下具有相对较长的自旋寿命，可以使用绿色激光对其进行偏振以及进行光学读取，并且可以通过由脉冲控制的微波场对自旋子能级进行操纵。NV色心的结构具有C3v对称性，其两个不成对电子态在基态(3A2)和激发态(3E)是自旋三重态(S＝1)，其自旋能级有ms＝0，±1。在自旋守恒的激光激励下，激发态ms＝0自发地回到基态ms＝0，然而ms＝±1的状态有两条可能的衰变路径，其中一条是通过辐射跃迁到ms＝±1状态，或非辐射的通过系统间交叉效应到ms＝0状态。在后一种情况下有30％的概率，ms＝±1的激发态首先衰减为亚稳态的单重态，然后衰减为基态ms＝0。由于自旋相互作用，在室温下NV色心的基态在ms＝0和ms＝±1态之间具有2.87GHz的零场分裂。当施加外部磁场时，通过塞曼效应提升ms＝±1自旋态的简并性，表现在ODMR谱上为共振峰值距离被拉大。通过调整外部磁场和四个晶体NV轴的相对取向，可以通过光学检测磁共振(ODMR)技术观察到基态中的总共八个微波偶极跃迁。ms＝0态和ms＝+1态或ms＝-1态之间的跃迁是磁偶极子跃迁，构成了一个量子二能级体系，共振微波磁场在布洛赫球面上驱动闭环Rabi循环。另外，当温度发生改变时，NV色心零场的中心频率D会随着温度的降低而增大；相反地，它会随着温度的升高而减小，同时具有线性变化特性，因此只需通过测定ODMR中心频率的偏移位置即可得到待测位置所对应的温度。
目前已有的基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法，采用单个含金刚石的锥形光纤作为传感器，进行微波场测试，效率不够高，往往测试一次就需要耗费大量的时间。
发明内容
发明目的：本发明提出一种对微波场和温度场进行快速定量测量的系统。本发明的另一目的在于提供基于该系统的定量检测方法。
技术方案：本发明所述的微波场和温度场阵列式定量测试系统，包括：激光脉冲发生装置、分束器、微波信号发生装置、脉冲信号发生器、二向色镜、第一物镜、第二物镜、荧光探测装置、扫描装置和终端，所述激光脉冲发生装置、微波信号发生装置分别与脉冲信号发生器电连接，所述脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置分别与终端连接，所述分束器与激光脉冲发生装置连接；其中，
所述激光脉冲发生装置，用于产生激光脉冲信号；
所述分束器，用于对产生的激光脉冲信号进行分束；
所述微波信号发生装置，用于产生调制信号和高频微波信号；
所述脉冲信号发生器，用于产生TTL信号，对所述激光脉冲发生装置和微波信号发生装置进行控制；
所述二向色镜，用于反射分束后的绿色激光，透过金刚石NV色心阵列产生的红色荧光；
所述第一物镜，用于对二向色镜反射的分束后的绿色激光进行聚焦，分别进入金刚石NV色心阵列中的每一个探头中；
所述第二物镜，用于将透过二向色镜的红色荧光聚焦至荧光探测装置；
所述荧光探测装置，用于对金刚石产生的荧光强度大小进行分析；
所述扫描装置包括金刚石NV色心阵列，用于对待测器件进行扫描；
所述终端，用于对所述脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置进行控制。
采用金刚石NV色心阵列，相当于同一时间段，有多个传感器在对同一物体进行扫描。因此，本发明所述的定量测试系统对待测器件进行扫描时，相当于将其分成若干待测区域，最终的扫描结果为各待测区域扫描结果的拼接，故扫描速度也与阵列中所含探头个数成正比。
进一步地，本发明的系统还包括可调磁铁，用于在微波场测试时给金刚石外部增加磁场。
进一步地，所述激光脉冲发生装置包括激光发生器和声光调制器，其中，所述激光发生器用于产生激光，所述声光调制器用于使激光发生器出来的激光发生布拉格衍射，产生0级和+1级(或-1级)衍射光斑，且只允许1级脉冲衍射光斑通过，以实现对输入激光光束的偏转以及频率与强度的调制。
进一步地，所述微波信号发生装置用于产生调制信号和高频微波信号，所述微波信号发生装置包括微波源和微波开关，其中，所述微波源用于产生脉冲微波信号，所述微波开关用于对脉冲微波信号进行振幅调制，以改变其微波开启与关闭时间的占空比。
进一步地，所述金刚石NV色心阵列采用锥形光纤探头阵列。
进一步地，所述金刚石NV色心阵列排布需要根据待测器件的大小均匀排布。
进一步地，所述包括荧光探测装置包括雪崩光电二极管和多通道数据采集分析仪器，其中，所述雪崩光电二极管用于收集荧光信号，所述多通道数据采集分析仪器用于对金刚石产生的荧光进行分析。
进一步地，该系统还包括用于固定待测器件的位移平台，所述位移平台通过内含的控制箱控制待测器件进行移动扫描。
本发明所述的微波场和温度场阵列式定量测试方法，包括步骤：
(1)脉冲信号发生器产生TTL信号，控制激光脉冲发生装置产生激光脉冲信号；同时控制微波信号发生装置产生调制信号和高频微波信号，形成微波场；
(2)分束器对激光脉冲信号进行分束；
(3)分束后的N路激光经过二向色镜的反射，通过第一物镜，最终聚焦在扫描装置中金刚石NV色心阵列的不同锥形光纤探头处；
(4)金刚石产生的红色荧光，再经过原来的N条激光光路返回，最后透过二向色镜，经过第二物镜聚焦到荧光探测装置；
(5)荧光探测装置对金刚石产生的荧光强度大小进行分析。
测量微波场时，通过微波开关改变脉冲微波的脉宽时间，再通过ODMR技术，可以测出8个中心对称相互独立的共振峰，得到微波场的共振频率点，再通过对每一个共振频率点执行Rabi频率测量试验，即可获得所述边带信号的拉比振荡频率，再通过所述拉比振荡频率计算得到微波场强度。由于本发明采用了金刚石NV色心阵列，只需要将各探头测试结果计算得到的微波场强度进行拼接，即可得出整个待测器件的微波场强度。
测量温度场时，需要将可调磁铁移开，对ODMR光探测磁共振谱数据进行洛伦兹拟合运算，得到零场两个共振峰之间的中心频率D，根据所述中心频率D与被测温度之间的变化关系，得到当前测量点的温度。最终只需将各探头测试结果计算得到的温度进行拼接，就可以得出整个待测器件的温度场强度。
通过二向色镜反射绿光、透过红光的特性，可以对金刚石产生的荧光强度大小的分析，从而根据NV色心性质实现微波场和温度场的定量测试。
有益效果：本发明大大提高了微波场和温度场定量测量的速度，且测量速度与阵列里探头的个数成正相关。
附图说明
图1是本发明所述微波场和温度场阵列式定量测试系统的结构示意框图；
图2是本发明方法过程详解图；
图3是本发明金刚石NV色心阵列结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种微波场和温度场阵列式定量测试系统，包括激光脉冲发生装置、分束器14、微波信号发生装置、脉冲信号发生器5、荧光探测装置、扫描装置和计算机13；所述脉冲信号发生器5、荧光探测装置、扫描装置分别与计算机13电连接；所述激光脉冲发生装置、微波信号发生装置分别与脉冲信号发生器5电连接；所述激光脉冲发生装置包括激光发生器1和声光调制器2(AOM)，用于产生激光脉冲信号；所述分束器14用于将激光进行分束；所述微波信号发生装置包括微波源3和微波开关4，用于产生调制信号和高频微波信号；所述脉冲信号发生器5用于产生TTL信号对激光脉冲发生装置和微波信号发生装置进行控制；所述扫描装置包括含有金刚石NV色心的锥形光纤探头阵列8、待测器件9、可调磁铁10、位移平台11和位移平台控制箱12，用于对微波场进行探测，所述可调磁铁10用于施加磁场，所述扫描装置采用(2×2)阵列式的方案，用于对待测器件进行扫描；所述荧光探测装置包括一组(4个)雪崩光电二极管(APD)6和包含4台频谱分析仪的PXI平台7用于对金刚石产生的荧光进行分析；所述位移平台11为二维电操控位移平台11，所述位移平台11上固定有待测器件；所述位移平台11由位移平台控制箱12控制其对待测器件9进行移动扫描。
将所述金刚石NV色心阵列放置在可调磁铁(三维线圈)内部，测量微波场时，可调磁铁给金刚石NV色心阵列外部施加一个磁场即可，理论上可提供磁场范围为0-10GHz。
如图2所示，微波源产生的高频微波信号经脉冲调制信号调制后，与激光脉冲发生装置产生的激光脉冲信号通过分束器后，产生4条光路，这些光路通过二向色镜的反射，被物镜聚焦到阵列上不同的探头上。NV色心金刚石在脉冲调制信号与激光脉冲信号的共振作用下产生边带荧光脉冲信号，金刚石的探头产生红色荧光后，通过原来的4条光路返回，红光透过后，经过物镜的聚焦，分别被不同的APD所采集，然后传递给PXI平台。通过微波开关改变脉冲微波的脉宽时间，再通过ODMR技术，可以测出8个中心对称相互独立的共振峰，得到微波场的共振频率点，再通过对每一个共振频率点执行Rabi频率测量试验，即可获得所述边带信号的拉比振荡频率，再通过所述拉比振荡频率计算得到微波场强度，最终将四个数据进行拼接，就可以得出整个待测器件的微波场强度。
如图3所示，所用锥形光纤探头阵列8的每一个尖端尺寸都匹配相应的NV色心金刚石的尺寸；进一步地，所述金刚石颗粒大小10um，锥形光纤端面直径为15-20um。
实施例2
一种微波场和温度场阵列式定量测试方法，包括步骤：
(1)激光发生器1产生波长为532nm、输出功率为50mW的激光脉冲信号；
(2)由计算机13控制脉冲信号发生器5产生两路TTL同步脉冲信号，通过第一路TTL信号，设置激光脉冲的脉宽为500ns，占空比为50％；通过第二路TTL信号，设置微波开关4的脉冲周期与激光脉冲周期相同，在激光脉冲低电平的间隔内设置微波脉宽为50ns；设置扫描微波信号中心频率为2870MHz，扫描范围是100MHz；对ODMR光探测磁共振谱数据进行洛伦兹拟合运算，根据中心频率D与被测温度之间存在以-74kHz/℃为斜率的线性比例变化关系，将中心频率D转换为温度，即可得到当前测量点的温度。
Claims (9)
1.一种微波场和温度场阵列式定量测试系统，其特征在于，包括激光脉冲发生装置、分束器、微波信号发生装置、脉冲信号发生器、二向色镜、第一物镜、第二物镜、荧光探测装置、扫描装置和终端，所述激光脉冲发生装置、微波信号发生装置分别与脉冲信号发生器电连接；所述脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置分别与终端连接；所述分束器与激光脉冲发生装置连接；其中，
所述激光脉冲发生装置，用于产生激光脉冲信号；
所述分束器，用于对产生的激光脉冲信号进行分束；
所述微波信号发生装置，用于产生调制信号和高频微波信号；
所述脉冲信号发生器，用于产生TTL信号，对所述激光脉冲发生装置和微波信号发生装置进行控制；
所述二向色镜，用于反射分束后的绿色激光，透过金刚石NV色心阵列产生的红色荧光；
所述第一物镜，用于对二向色镜反射的分束后的绿色激光进行聚焦，分别进入金刚石NV色心阵列中的每一个探头中；
所述第二物镜，用于将透过二向色镜的红色荧光聚焦至荧光探测装置；
所述荧光探测装置，用于对金刚石产生的荧光强度大小进行采集；
所述扫描装置包括金刚石NV色心阵列，用于对待测器件进行扫描；
所述终端，用于对所述脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置进行控制；
所述荧光探测装置包括多通道数据采集分析仪器，所述多通道数据采集分析仪器用于对金刚石产生的多路荧光进行并行分析。
2.根据权利要求1所述的微波场和温度场阵列式定量测试系统，其特征在于：该系统还包括可调磁铁，用于在微波场测试时给金刚石外部增加磁场。
3.根据权利要求1所述的微波场和温度场阵列式定量测试系统，其特征在于：所述激光脉冲发生装置包括激光发生器和声光调制器，其中，所述激光发生器用于产生激光，所述声光调制器用于调制激光强度。
4.根据权利要求1所述的微波场和温度场阵列式定量测试系统，其特征在于，所述微波信号发生装置用于产生调制信号和高频微波信号，所述微波信号发生装置包括微波源和微波开关；其中，所述微波源用于产生脉冲微波信号，所述微波开关用于对脉冲微波信号进行振幅调制，以改变其微波开启与关闭时间的占空比。
5.根据权利要求1所述的微波场和温度场阵列式定量测试系统，其特征在于：所述金刚石NV色心阵列采用锥形光纤探头阵列。
6.根据权利要求1或5所述的微波场和温度场阵列式定量测试系统，其特征在于：所述金刚石NV色心阵列根据待测器件的大小均匀排布。
7.根据权利要求1所述的微波场和温度场阵列式定量测试系统，其特征在于：所述荧光探测装置包括多路雪崩光电二极管，其中，所述雪崩光电二极管用于收集荧光信号。
8.根据权利要求1所述的微波场和温度场阵列式定量测试系统，其特征在于，该系统还包括用于固定待测器件的位移平台，所述位移平台通过内含的控制箱控制待测器件进行移动扫描。
9.根据权利要求1-8任一项所述微波场和温度场阵列式定量测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)脉冲信号发生器产生TTL信号，控制激光脉冲发生装置产生激光脉冲信号；同时控制微波信号发生装置产生调制信号和高频微波信号，形成微波场；
(2)分束器对激光脉冲信号进行分束；
(3)分束后的N路激光经过二向色镜的反射，通过第一物镜，最终聚焦在扫描装置中金刚石NV色心阵列的不同锥形光纤探头处；
(4)金刚石产生的红色荧光，再经过原来的N条激光光路返回，最后透过二向色镜，经过第二物镜聚焦到荧光探测装置；
(5)荧光探测装置对金刚石产生的荧光强度大小进行分析。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 金刚石集群氮空位(NV)色心自旋态调控设计与实现;赵敏等;《量子光学学报》;20161125;第22卷(第04期);第379-385页 * |
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