CN112255578B - 基于光镊和自旋缺陷的多物理参数传感的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光镊和自旋缺陷的多物理参数传感的装置和方法，该装置包括第一激光器、第二激光器、第一光调制器、第二光调制器、分束器、合束器、物镜、透镜、第一光电探测器、第二光电探测器、微波源、微波调制器、微波天线、双色片、荧光探测器、控制显示系统。通过在光阱中悬浮含有自旋缺陷的微纳米级尺寸的金刚石颗粒，根据金刚石颗粒的运动，得到各种物理参数。本发明的装置和方法可以实现同一空间位置的多物理参数传感，避免了信息的梯度差；且本发明的装置将不同探测对象所需的系统集成到一起，实现单个设备的多物理参数探测，节省载荷空间、节约成本。
Description
技术领域
本发明涉及传感领域、导航测绘领域，具体涉及一种基于光镊和自旋缺陷的多物理参数传感的装置和方法。
背景技术
在航空、航天、航海、探潜等相关领域，为了兼顾安全导航和科学探测要求，飞船、航空器或者潜艇上需要搭载多种传感设备，其中陀螺仪、重力仪、磁强计和温度探测仪是常备载荷。其中用于姿态控制和导航的重力传感设备和角速度传感器陀螺仪是导航所必须的；温度和磁场的测量是航测领域关注的重要参数，对于保证航天器的正常飞行以及研究空间环境都具有重要价值。
在现有的技术方案中，多种物理量的探测，是通过在航行舱体中搭载多个单一功能传感器实现的。采用这种方案需要的传感器多，对应的体积大，能耗高；其次采用多传感器测量到的各物理参量来自于不同空间位置，难以做到同一空间位置的多物理量分析。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于光镊和自旋缺陷的多物理参数传感的装置和方法，具体技术方案如下：
一种基于光镊和自旋缺陷的多物理参数传感的装置，该装置包括第一激光器、第二激光器、第一光调制器、第二光调制器、分束器、合束器、物镜、透镜、第一光电探测器、第二光电探测器、微波源、微波调制器、微波天线、双色片、荧光探测器、控制显示系统；
其中，第一激光器出射捕获激光，经过第一光调制器后进入分束器，分出第一路光束和第二路光束；第一路光束进入第二光电探测器，第二光电探测器与控制显示系统连接；
第二激光器出射用于金刚石自旋缺陷激发的光信号，依次经过第二光调制器、双色片后，与所述的第二路光束一起经合束器合束进入物镜，第一激光器的光信号经物镜汇聚后形成捕获微纳米级尺寸的金刚石颗粒的光阱，也即形成光镊，其前向光依次经过微纳米级尺寸的金刚石颗粒、透镜进入用于金刚石颗粒位置探测的第一光电探测器，第一光电探测器与控制显示系统连接；
第二激光器产生的激光经过经物镜后汇聚成用于微纳米级尺寸的金刚石颗粒自旋缺陷激发的光信号，其照射金刚石颗粒的缺陷产生的荧光被物镜收集，原路返回经过合束器反射，再经过双色片与原光路分离，被荧光探测器收集；
微波源产生的微波信号经过微波调制器传输到微波天线上，用于微纳米级尺寸的金刚石颗粒的自旋缺陷的量子态操纵；
所述的多物理参数传感的装置放在真空环境中使用，或者在物镜形成的光阱区域设置真空腔；
控制显示系统用于整个装置中各信号源的输出以及光电信号的采集和处理，从而得到各个物理参数。
进一步地，该装置还包括第二分束器、偏振分束器、第三光电探测器、第四光电探测器，所述的第二分束器位于透镜、第一光电探测器之间，从透镜出射的光束被第二分束器分成两束，分别进入第一光电探测器和偏振分束器，经所述的偏振分束器分出的两束光分别进入第三光电探测器、第四光电探测器，进而进入控制显示系统。
进一步地，所述的金刚石颗粒的自旋缺陷为氮空穴、硅空穴、锗空穴。
进一步地，所述的第二激光器出射的光的波长与所选金刚石的自旋缺陷相关。
进一步地，当所述的金刚石颗粒选用NV色心缺陷时，所述的第二激光器出射480~550nm的激发光。
一种利用上述的装置进行多物理参数传感的方法，首先开启第一激光器形成光阱，将含有自旋缺陷的微纳米级尺寸的金刚石颗粒悬浮在光阱中，通过如下操作得到各个物理参数：
根据第一光电探测器和第二光电探测器探测到的金刚石颗粒运动引起的光强变化，追踪颗粒在光阱中的运动过程，进而实现对环境力场和直线加速度场的探测；
通过第二激光器出射的光信号激发金刚石颗粒的自旋缺陷，使之发射荧光，荧光探测器收集荧光信号，利用微波扫描共振，探测金刚石荧光的强弱变化，得到自旋基态的能级变化，进而得到金刚石颗粒所在位置的磁场强度；
通过第二激光器出射的光信号激发金刚石颗粒中的自旋缺陷，使之发射荧光，荧光探测器收集荧光信号，利用微波扫描共振，探测金刚石荧光的强弱变化，得到自旋基态的能级变化，进而得到金刚石颗粒所在位置的温度；或者直接通过探测金刚石颗粒的自旋缺陷的激发态与基态能极差对应的荧光光谱变化，得到金刚石颗粒所在位置的温度。
一种利用上述的装置进行多物理参数传感的方法，首先开启第一激光器形成光阱，将含有自旋缺陷的微纳米级尺寸的金刚石颗粒悬浮在光阱中，所述的金刚石颗粒的长宽比为1~5，且为非球形，通过如下操作得到各个物理参数：
根据第一光电探测器和第二光电探测器探测到的金刚石颗粒运动引起的光强变化，追踪颗粒在光阱中的运动过程，进而实现对环境力场和直线加速度场的探测；
通过第二激光器出射的光信号激发金刚石颗粒的自旋缺陷，使之发射荧光，荧光探测器收集荧光信号，利用微波扫描共振，探测金刚石荧光的强弱变化，得到自旋基态的能级变化，进而得到金刚石颗粒所在位置的磁场强度；
通过第二激光器出射的光信号激发金刚石颗粒中的自旋缺陷，使之发射荧光，荧光探测器收集荧光信号，利用微波扫描共振，探测金刚石荧光的强弱变化，得到自旋基态的能级变化，进而得到金刚石颗粒所在位置的温度；或者直接通过探测金刚石颗粒的自旋缺陷的激发态与基态能极差对应的荧光光谱变化，得到金刚石颗粒所在位置的温度；
通过根据第一光电探测器和第二光电探测器探测到的金刚石颗粒运动引起的光强变化，追踪颗粒在光阱中的运动过程，根据第三光电探测器和第四光电探测器探测的光强变化，得到偏振差分信号，实现环境角速度的探测。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明的装置和方法可以实现同一空间位置的多物理参数传感，避免了信息的梯度差；
（2）本发明的装置将不同探测对象所需的系统集成到一起，实现单个设备的多物理参数探测，节省载荷空间、节约成本。
附图说明
图1为本发明的多物理参数传感的装置示意图；
图2为在图1基础上能进一步探测角速度的多物理参数传感的装置示意图；
图3为本发明的多物理参数传感的方法示意图；
图4为金刚石氮空穴（NV）色心缺陷基态电子自旋的能级以及对应的共振谱图；图4
中的左图为NV色心基态自旋的三能级
示意图，右图为NV色心荧光强度
与扫描微波频率的关系图；
图5为NV色心电子自旋基态能级随温度和磁场的变化关系图；其中左图为自旋基
态能级中零场劈裂D随温度变化的关系图，右图为磁场导致的
的频率劈裂间隔
随磁场强度B的变化关系图。
图中，第一激光器1、第二激光器2、第一光调制器3、第二光调制器4、分束器5、合束器6、物镜7、金刚石颗粒8、透镜9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、微波源12、微波调制器13、微波天线14、双色片15、荧光探测器16、控制显示系统17、真空腔18、第二分束器19、偏振分束器20、第三光电探测器21、第四光电探测器22。
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所示，本发明的基于光镊和自旋缺陷的多物理参数传感的装置，包括第一激光器1、第二激光器2、第一光调制器3、第二光调制器4、分束器5、合束器6、物镜7、透镜9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、微波源12、微波调制器13、微波天线14、双色片15、荧光探测器16、控制显示系统17；
其中，第一激光器1出射捕获激光，经过第一光调制器3后进入分束器5，分出第一路光束和第二路光束；第一路光束进入第二光电探测器11，第二光电探测器11与控制显示系统17连接；
第二激光器2出射用于金刚石自旋缺陷激发的光信号，依次经过第二光调制器4、双色片15后，与所述的第二路光束一起经合束器6合束进入物镜7；
第一激光器1的光信号经物镜7汇聚后形成捕获微纳米级尺寸的金刚石颗粒的光阱，也即形成光镊，其前向光依次经过微纳米级尺寸的金刚石颗粒、透镜9进入用于金刚石颗粒位置探测的第一光电探测器10，第一光电探测器10与控制显示系统17连接；
第二激光器2产生的激光经过经物镜7后汇聚成用于微纳米级尺寸的金刚石颗粒自旋缺陷激发的光信号，其照射金刚石颗粒的缺陷产生的荧光被物镜7收集，原路返回经过合束器6反射，再经过双色片15与原光路分离，被荧光探测器16收集；
第一光调制器3和第二光调制器4分别用于控制第一激光器1和第二激光器2产生的激光信号的强度或开关调制；第一光电探测器10和第二光电探测器11的信号反映金刚石颗粒运动引起的光强变化，经过控制显示系统17处理后可以输出金刚石颗粒位置信息，用于追踪颗粒在光阱中的运动过程，进而实现对环境力场和加速度场的探测；
微波源12产生的微波信号经过微波调制器13传输到微波天线14上，用于微纳米级尺寸的金刚石颗粒的自旋缺陷的量子态操纵；
微波调制器13用于控制微波源12产生的微波信号的强度或开关调制；
所述的多物理参数传感的装置放在真空环境中使用，或者在物镜7形成的光阱区域设置真空腔；
控制显示系统17用于整个装置中各信号源的输出以及光电信号的采集和处理，从而得到各个物理参数。
为了进一步探测环境角速度，在装置透镜9、第一光电探测器10之间增加第二分束器19，在第二分束器19的另一光路上增加偏振分束器20、第三光电探测器21、第四光电探测器22，进而使透镜9出射的光束被第二分束器19分成两束，分别进入第一光电探测器10和偏振分束器20，经所述的偏振分束器20分出的两束光分别进入第三光电探测器21、第四光电探测器22，然后进入控制显示系统17。具体如图2所示。
如图3所示，利用本发明的装置进行多物理参数传感的方法具体为：首先通过雾化喷雾法或者其他的方法将含有自旋缺陷的微纳米级尺寸的金刚石颗粒悬浮在光阱中，通过如下操作得到各个物理参数：
根据第一光电探测器10和第二光电探测器11探测到的金刚石颗粒运动引起的光强变化，追踪颗粒在光阱中的运动过程，进而实现对环境力场和直线加速度场的探测；
通过第二激光器2出射的光信号激发金刚石颗粒的自旋缺陷，使之发射荧光，荧光探测器16收集荧光信号，利用微波扫描共振，探测金刚石荧光的强弱变化，得到自旋基态的能级变化，进而得到金刚石颗粒所在位置的磁场强度；
通过第二激光器2出射的光信号激发金刚石颗粒中的自旋缺陷，使之发射荧光，荧光探测器16收集荧光信号，利用微波频率扫描共振方法，探测金刚石荧光的强弱变化，得到自旋基态的能级变化，进而得到金刚石颗粒所在位置的温度；或者直接通过探测金刚石颗粒的自旋缺陷的激发态与基态能极差对应的荧光光谱变化，得到金刚石颗粒所在位置的温度。
当需要探测环境角速度时，采用长宽比为1~5的非球形的金刚石颗粒替换上述的金刚石颗粒，悬浮在光阱中，通过根据第一光电探测器10和第二光电探测器11探测到的金刚石颗粒运动引起的光强变化，追踪颗粒在光阱中的运动过程，根据第三光电探测器21和第四光电探测器22探测的光强变化，得到偏振差分信号，实现环境角速度的探测。
如图4所示，为金刚石氮空穴（NV）色心缺陷基态电子自旋的能级以及对应的共振
谱图，左侧的图展示了NV色心基态自旋的三能级
，其中处于
态的NV色
心受激发后荧光强度高于处于
态的NV色心，因此可以通过荧光光强探测NV色
心的自旋态，NV色心的自旋态在激发光的作用下会被初始化到
态，处于
态的NV色心
可以被共振微波调控到荧光强度低的
态；也即通过扫描施加微波信号检测荧
光强度变化，得到两个共振峰，如图4中的右侧的图所示，从中可以得到三个基态能级差的
变化。
图5展示的是从图4右侧图中提取的两个跃迁通道对应的零场劈裂D的变化和
两个能级的频率间隔
的变化；零场劈裂D所对应的频率与温度相关，具体关系
如图5的左侧图所示；
两个能级的频率间隔
所对应的频率与NV色心轴向的磁
场强度成线性关系，具体关系如图5右图所示。
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 (6)
1.一种基于光镊和自旋缺陷的多物理参数传感的装置，其特征在于，该装置包括第一激光器（1）、第二激光器（2）、第一光调制器（3）、第二光调制器（4）、分束器（5）、合束器（6）、物镜（7）、透镜（9）、第一光电探测器（10）、第二光电探测器（11）、微波源（12）、微波调制器（13）、微波天线（14）、双色片（15）、荧光探测器（16）、控制显示系统（17）；
其中，第一激光器（1）出射捕获激光，经过第一光调制器（3）后进入分束器（5），分出第一路光束和第二路光束；第一路光束进入第二光电探测器（11），第二光电探测器（11）与控制显示系统（17）连接；
第二激光器（2）出射用于金刚石颗粒自旋缺陷激发的光信号，依次经过第二光调制器（4）、双色片（15）后，与所述的第二路光束一起经合束器（6）合束进入物镜（7），第一激光器（1）的光信号经物镜（7）汇聚后形成捕获微纳米级尺寸的金刚石颗粒的光阱，也即形成光镊，其前向光依次经过微纳米级尺寸的金刚石颗粒、透镜（9）进入用于金刚石颗粒位置探测的第一光电探测器（10），第一光电探测器（10）与控制显示系统（17）连接；
第二激光器（2）产生的激光经过经物镜（7）后汇聚成用于微纳米级尺寸的金刚石颗粒自旋缺陷激发的光信号，其照射金刚石颗粒的缺陷产生的荧光被物镜（7）收集，原路返回经过合束器（6）反射，再经过双色片（15）与原光路分离，被荧光探测器（16）收集；
微波源（12）产生的微波信号经过微波调制器（13）传输到微波天线（14）上，用于微纳米级尺寸的金刚石颗粒的自旋缺陷的量子态操纵；
所述的多物理参数传感的装置放在真空环境中使用，或者在物镜（7）形成的光阱区域设置真空腔；
控制显示系统（17）用于整个装置中各信号源的输出控制以及光电信号的采集和处理，从而得到各个物理参数；
该装置还包括第二分束器（19）、偏振分束器（20）、第三光电探测器（21）、第四光电探测器（22），所述的第二分束器（19）位于透镜（9）、第一光电探测器（10）之间，从透镜（9）出射的光束被第二分束器（19）分成两束，分别进入第一光电探测器（10）和偏振分束器（20），经所述的偏振分束器（20）分出的两束光分别进入第三光电探测器（21）、第四光电探测器（22），进而进入控制显示系统（17）。
2.根据权利要求1所述的基于光镊和自旋缺陷的多物理参数传感的装置，其特征在于，所述的金刚石颗粒的自旋缺陷为氮空穴或硅空穴或锗空穴。
3.根据权利要求1所述的基于光镊和自旋缺陷的多物理参数传感的装置，其特征在于，所述的第二激光器（2）出射的光的波长与所选金刚石颗粒的自旋缺陷相关。
4.根据权利要求2所述的基于光镊和自旋缺陷的多物理参数传感的装置，其特征在于，当所述的金刚石颗粒选用NV色心缺陷时，所述的第二激光器（2）出射480~550nm的激发光。
5.一种基于光镊和自旋缺陷的多物理参数传感的装置进行多物理参数传感的方法，其特征在于，所述装置包括第一激光器（1）、第二激光器（2）、第一光调制器（3）、第二光调制器（4）、分束器（5）、合束器（6）、物镜（7）、透镜（9）、第一光电探测器（10）、第二光电探测器（11）、微波源（12）、微波调制器（13）、微波天线（14）、双色片（15）、荧光探测器（16）、控制显示系统（17）；
其中，第一激光器（1）出射捕获激光，经过第一光调制器（3）后进入分束器（5），分出第一路光束和第二路光束；第一路光束进入第二光电探测器（11），第二光电探测器（11）与控制显示系统（17）连接；
第二激光器（2）出射用于金刚石颗粒自旋缺陷激发的光信号，依次经过第二光调制器（4）、双色片（15）后，与所述的第二路光束一起经合束器（6）合束进入物镜（7），第一激光器（1）的光信号经物镜（7）汇聚后形成捕获微纳米级尺寸的金刚石颗粒的光阱，也即形成光镊，其前向光依次经过微纳米级尺寸的金刚石颗粒、透镜（9）进入用于金刚石颗粒位置探测的第一光电探测器（10），第一光电探测器（10）与控制显示系统（17）连接；
第二激光器（2）产生的激光经过经物镜（7）后汇聚成用于微纳米级尺寸的金刚石颗粒自旋缺陷激发的光信号，其照射金刚石颗粒的缺陷产生的荧光被物镜（7）收集，原路返回经过合束器（6）反射，再经过双色片（15）与原光路分离，被荧光探测器（16）收集；
微波源（12）产生的微波信号经过微波调制器（13）传输到微波天线（14）上，用于微纳米级尺寸的金刚石颗粒的自旋缺陷的量子态操纵；
所述的多物理参数传感的装置放在真空环境中使用，或者在物镜（7）形成的光阱区域设置真空腔；
控制显示系统（17）用于整个装置中各信号源的输出控制以及光电信号的采集和处理，从而得到各个物理参数；
所述方法具体包括如下步骤：
首先开启第一激光器（1）形成光阱，将含有自旋缺陷的微纳米级尺寸的金刚石颗粒悬浮在光阱中，通过如下操作得到各个物理参数：
根据第一光电探测器（10）和第二光电探测器（11）探测到的金刚石颗粒运动引起的光强变化，追踪颗粒在光阱中的运动过程，进而实现对环境力场和直线加速度场的探测；
通过第二激光器（2）出射的光信号激发金刚石颗粒的自旋缺陷，使之发射荧光，荧光探测器（16）收集荧光信号，利用微波扫描共振，探测金刚石颗粒荧光的强弱变化，得到自旋基态的能级变化，进而得到金刚石颗粒所在位置的磁场强度；
通过第二激光器（2）出射的光信号激发金刚石颗粒中的自旋缺陷，使之发射荧光，荧光探测器（16）收集荧光信号，利用微波扫描共振，探测金刚石颗粒荧光的强弱变化，得到自旋基态的能级变化，进而得到金刚石颗粒所在位置的温度；或者直接通过探测金刚石颗粒的自旋缺陷的激发态与基态能极差对应的荧光光谱变化，得到金刚石颗粒所在位置的温度。
6.一种利用权利要求1所述的装置进行多物理参数传感的方法，其特征在于，首先开启第一激光器（1）形成光阱，将含有自旋缺陷的微纳米级尺寸的金刚石颗粒悬浮在光阱中，所述的金刚石颗粒的长宽比为1~5，且为非球形，通过如下操作得到各个物理参数：
根据第一光电探测器（10）和第二光电探测器（11）探测到的金刚石颗粒运动引起的光强变化，追踪颗粒在光阱中的运动过程，进而实现对环境力场和直线加速度场的探测；
通过第二激光器（2）出射的光信号激发金刚石颗粒的自旋缺陷，使之发射荧光，荧光探测器（16）收集荧光信号，利用微波扫描共振，探测金刚石颗粒荧光的强弱变化，得到自旋基态的能级变化，进而得到金刚石颗粒所在位置的磁场强度；
通过第二激光器（2）出射的光信号激发金刚石颗粒中的自旋缺陷，使之发射荧光，荧光探测器（16）收集荧光信号，利用微波扫描共振，探测金刚石颗粒荧光的强弱变化，得到自旋基态的能级变化，进而得到金刚石颗粒所在位置的温度；或者直接通过探测金刚石颗粒的自旋缺陷的激发态与基态能极差对应的荧光光谱变化，得到金刚石颗粒所在位置的温度；
通过根据第一光电探测器（10）和第二光电探测器（11）探测到的金刚石颗粒运动引起的光强变化，追踪颗粒在光阱中的运动过程，根据第三光电探测器（21）和第四光电探测器（22）探测的光强变化，得到偏振差分信号，实现环境角速度的探测。
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