CN112462305A - 基于金刚石nv色心的微波线性调频测量装置及测量方法 - Google Patents

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马菁汀
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Abstract

本发明公开了一种基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置及测量方法，所述装置包括共聚焦显微系统、金刚石NV色心(5)、磁场调控装置(9)和待测微波源(8)。利用共聚焦显微系统作用在金刚石NV色心(5)上，对金刚石NV色心(5)能级上的电子进行初始化；利用磁场调控装置(9)产生静磁场，作为外加磁场施加到金刚石NV色心(5)上，产生能级分裂；待测微波源(8)产生线性调制微波场作用在金刚石NV色心(5)上，测得微波频率的调制信号随时间的变化。本发明不需要庞大的天线和解调电路，克服了其他传统微波测量技术对待测场干扰的缺点。

Description

基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及微波磁场测量领域，特别是一种基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置及方法。
背景技术
微波测量技术在现代基础科学和工程应用中占据着越来越重要的地位。长期以来，人们都是利用经典物理的传统探测手段来测量和分析，利用天线和解调电路，需要将载有信息的射频进行下变频才能被采集并处理，但是这种解调方式易受外部电磁干扰，会导致微波信号的失真，传统技术面临挑战。
近年来，金刚石NV色心在微波测量领域受到了科学家的广泛重视。金刚石NV色心具有较长的相干时间、高灵敏度、高空间分辨率，同时它具有丰富的能级结构，可用于量子精密测量领域。室温下金刚石NV色心基态自旋三态之间有2.87GHz的零场分裂，施加磁场于金刚石NV色心上，基态的二重态将发生分裂，利用塞曼效应，可通过外加微波和射频来操控其状态，NV色心荧光强度与其电子自旋状态有关，当电子自旋处于|0＞的状态时，荧光较电子自旋处于|±1＞时强；通过与电子自旋处于|0＞的状态时的荧光强度对比，可以得知电子自旋目前所处的状态，从而能够获得所探测磁场的大小。
目前，还未见到基于金刚石NV色心微波线性调频磁场测量的应用。
发明内容
本发明需解决的技术问题是提供一种基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置，采取技术方案如下：
所述装置包括共聚焦显微系统、金刚石NV色心、磁场调控装置和待测微波源；
所述金刚石NV色心嵌在光纤的端面上；
所述磁场调控装置产生静磁场作用在金刚石NV色心上；
所述待测微波源产生线性调制微波场作用在金刚石NV色心上。
基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置的测量方法，包括如下步骤：
步骤一，利用共聚焦显微系统作用在金刚石NV色心上，对金刚石NV色心能级上的电子进行初始化；
步骤二，利用磁场调控装置产生静磁场，作为外加磁场施加到金刚石NV色心上，产生能级分裂；
步骤三，待测微波源产生线性调制微波场作用在金刚石NV色心上，测得微波频率的调制信号随时间的变化。
与现有技术不同，本发明基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置及测量方法采用金刚石NV色心基态的拉比振荡作为探测手段，对载有线性调频的微波信号下的荧光光谱进行测量，实现了基于金刚石NV色心的微波线性调频信号的接收，直接读取调制信号，不需要庞大的天线和解调电路，克服了其他传统微波测量技术对待测场干扰的缺点，装置简单，易于实现小型化，具有很高的灵敏度和空间分辨率，应用广泛。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细的描述。
图1是本发明提供的一种基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置的结构示意图，包括共聚焦显微系统、待测微波源8、磁场调控装置9、金刚石NV色心5。
所述共聚焦显微系统包括：激光光源1、二向色镜2、物镜3、光纤4、滤波片6、光电探测器7。
所述金刚石NV色心5嵌在光纤4的端面上。
所述磁场调控装置9产生静磁场作用在金刚石NV色心5上。
所述待测微波源8产生线性调制微波场作用在金刚石NV色心5上。微波的频率范围为3GHz-100GHz，瞬时带宽为20MHz，传输信号为任意波形的调制信号。
激光光源1发出激光作为泵浦光，经过二向色镜2反射，再由物镜3聚焦到嵌在光纤4端面上的金刚石NV色心5上，金刚石NV色心5被泵浦后发出的荧光经物镜3、二向色镜2、滤波片6后被光电探测器7收集；其中，所述的激光光源1发出的激光波长为532nm；所述的金刚石NV色心5的尺寸约为60μm。
一种基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置的测量方法，包括如下步骤：
步骤一，利用共聚焦显微系统作用在金刚石NV色心5上，对金刚石NV色心5能级上的电子进行初始化。
金刚石NV色心5基态有|0＞态和一个简并二重态|±1＞态，两个态之间的零场分裂Δ约为2.87GHz。
步骤二，磁场调控装置9产生静磁场，作为外加磁场施加到金刚石NV色心5上，产生能级分裂。
施加静磁场B0后，金刚石NV色心5的基态简并二重态|±1>态将发生塞曼分裂，|0＞态和|-1＞态之间能级差ω0与外加静磁场B0相关，公式表示为
ω0＝Δ-γB0 (1)
其中，γ为旋磁比。
步骤三，待测微波源8产生线性调制微波场作用在金刚石NV色心5上，测得微波频率的调制信号随时间的变化。
微波场频率按照线性调制信号进行变化时，由微波源8产生的微波频率加载的调制信号导致金刚石NV色心因塞曼效应分裂的基态能级差的变化，从而引起电子布局数的重新布局，微波源8磁场的分量直接影响着|0＞态和|-1＞态之间的拉比振荡，使得光电探测器(7)探测到的荧光强度的峰值发生变化，通过对峰值的高度进行实时测量，并实时计算随测量时间变化的峰值的相对高度差，可获得随时间变化的振荡频率
Figure BDA0002193312310000051
其中，Bmwp为待测微波源磁场强度，计算得到微波频率的调制信号随时间的变化，读出调制信号。

Claims (3)

1.一种基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置，其特征在于，包括共聚焦显微系统、金刚石NV色心(5)、磁场调控装置(9)和待测微波源(8)；
所述共聚焦显微系统包括：激光光源(1)、二向色镜(2)、物镜(3)、光纤(4)、滤波片(6)、光电探测器(7)；
所述金刚石NV色心(5)嵌在光纤(4)的端面上；
所述磁场调控装置(9)产生静磁场作用在金刚石NV色心(5)上；
所述待测微波源(8)产生线性调制微波场作用在金刚石NV色心(5)上。
2.一种基于权利要求1所述的基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，利用共聚焦显微系统作用在金刚石NV色心(5)上，对金刚石NV色心(5)能级上的电子进行初始化；
步骤二，利用磁场调控装置(9)产生静磁场，作为外加磁场施加到金刚石NV色心(5)上，产生能级分裂；
步骤三，待测微波源(8)产生线性调制微波场作用在金刚石NV色心(5)上，测得微波频率的调制信号随时间的变化。
3.根据权利要求2所述的一种基于金刚石NV色心的微波线性调频测量装置的测量方法，其特征在于，所述步骤三测得微波频率的调制信号随时间的变化，具体为：
通过对光电探测器(7)探测到的荧光强度的峰值高度进行实时测量，并实时计算随测量时间变化的峰值的相对高度差，获得随时间变化的振荡频率Ω，
Figure FDA0002193312300000021
其中，，γ为旋磁比，Bmwp为待测微波源磁场强度。
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