CN113064107A - 提高nv色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构，包括在金刚石侧面设的侧面荧光反射部或侧面荧光探测部，对应金刚石下方设的第一底面荧光探测部及第二底面荧光探测部；金刚石的激光非入射区表面设有荧光全反射层；侧面荧光探测部用于检测金刚石侧面射出的荧光光子；第一底面荧光探测部用于检测金刚石底面射出的荧光光子；侧面荧光反射部用于将水平方向的荧光光子反射向金刚石的底面方向；第二底面荧光探测部用于检测金刚石底面及侧面荧光反射部底面射出的荧光光子。本申请的有益效果是：在金刚石的上表面、侧面及底面设置荧光反射或者荧光探测装置，从而提高荧光光子的收集效率，提高NV色心系综磁强计的灵敏度。

Description

提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构

技术领域

本公开涉及航天器磁环境测量研究领域，具体涉及一种提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构。

背景技术

目前，磁场测量设备主要由磁通门磁强计、光泵磁强计、SQUID等，由于这些设备分别存在灵敏度低、带宽小、重量大、不能矢量测量等问题，使之不能满足空间磁场、地球磁场研究的需求。近年来，国际上正在关注基于金刚石NV色心的磁强计。金刚石NV色心是指一个N原子替换掉一个C原子，随后俘获一个空穴后形成可以发出637nm荧光的NV色心。NV色心能级基态为自旋三重态，且没有荧光闪烁和荧光漂白效应，可以利用塞曼效应进行磁场测量。通过ODMR方法进行荧光信号强度的测量，利用荧光信号变化和微波频率得知塞曼效应导致的能级劈裂，进而得到外磁场大小。

对于金刚石NV色心系综磁强计系综，提高探测信号的对比度F将有效提高系统灵敏度。读出对比度和每次测量每个NV色心读出的光子数的关系是

在这种情况下，可以通过提高几何收集效率η_geo提高灵敏度，其中η_geo＝N/N_max，N是每次测量收集到的光子数、N_max是NV色心发射的光子总数。

由于金刚石的高折射率，金刚石和空气界面的全反射角仅为28°，荧光光子难以从金刚石出射到达探测器。采用数值孔径分别为0.95、1.49的油浸润式物镜时，仅仅能收集3.7％和10.4％的光子。

金刚石内部杂质和晶格对与637nm荧光的吸收效率非常低，荧光的损耗主要由于多次反射后在金刚石表面出射。

发明内容

本申请的目的是针对以上问题，提供一种提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构。

第一方面，本申请提供一种提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构，包括在产生NV色心荧光的金刚石侧面设置的侧面荧光反射部或者侧面荧光探测部，以及对应所述金刚石下方设置的第一底面荧光探测部及第二底面荧光探测部；所述金刚石的上表面设为激光入射区及激光非入射区，所述激光非入射区表面设有荧光全反射层，入射激光由所述激光入射区射入所述金刚石内，激发金刚石NV色心产生荧光；当金刚石侧面设置侧面荧光探测部时，金刚石下方设置所述第一底面荧光探测部；当金刚石侧面设置侧面荧光反射部时，金刚石下方设置所述第二底面荧光探测部；所述侧面荧光探测部，用于检测由金刚石侧面射出的荧光光子；所述第一底面荧光探测部，用于检测由金刚石底面射出的荧光光子；所述侧面荧光反射部，用于将NV色心发出的水平方向的荧光光子反射向金刚石的底面方向；所述第二底面荧光探测部，用于检测由金刚石底面及侧面荧光反射部底面射出的荧光光子。

根据本申请实施例提供的技术方案，还包括对应所述金刚石顶面的激光入射区设置的顶面荧光探测部，所述顶面荧光探测部，用于检测由金刚石顶面的激光入射区发射出的荧光光子。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述顶面荧光探测部包括物镜、反射镜、顶面滤片及顶面荧光探测器，所述物镜放置在金刚石的顶面上，由金刚石顶面的激光入射区出射的荧光光子依次经过物镜、反射镜、顶面滤片后被射入至顶面荧光探测器内。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述侧面荧光反射部设置四个，每个所述侧面荧光反射部包括直角棱镜，各个所述直角棱镜的直角边对应的表面分别通过紫外胶粘贴连接在金刚石的四个侧面上；各个所述直角棱镜的斜边对应的表面上设有荧光全反射层。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述第二底面荧光探测部包括第二底面滤片及第二底面荧光探测器，第二底面滤片通过紫外胶与金刚石底面及设置在金刚石侧面的直角棱镜的底面粘贴连接，所述第二底面荧光探测器通过紫外胶粘贴连接在第二底面滤片远离金刚石的一侧表面。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述侧面荧光探测部设置四个，每个所述侧面荧光探测部包括侧面滤片及侧面荧光探测器，各个侧面滤片通过紫外胶粘贴连接在金刚石的四个侧面上，各个侧面荧光探测器分别通过紫外胶粘贴连接在侧面滤片远离金刚石的表面。

根据本申请实施例提供的技术方案，所述第一底面荧光探测部包括第一底面滤片及第一底面荧光探测器，所述第一底面滤片通过紫外胶与金刚石的底面粘贴连接，所述第一底面荧光探测器通过紫外胶粘贴连接在第一底面滤片远离金刚石的一侧表面。

本申请提供一种提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构，具有以下有益效果：

1、对于金刚石上表面的激光非入射区出射的荧光光子主要由多次散射造成的，由于在金刚石的上表面的激光非入射区位置不方便安装荧光探测器，因此本申请在激光非入射区表面设置荧光全反射层，使得荧光光子不在该区域的表面出射，使其重新回到金刚石内部经过多次反射后重新被其他位置的荧光探测装置接收，从而提高其他位置的荧光光子收集率；

2、在金刚石的侧面设置侧面荧光反射部或者侧面荧光探测部，当设置侧面荧光反射部时，可使得水平方向的荧光光子反射向金刚石底面方向，从而提高其他位置的荧光光子收集率；当设置侧面荧光探测部时，可收集由金刚石侧面出射的荧光光子，从而提高荧光收集效率；

3、在金刚石的下方对应设置第一底面荧光探测部或第二底面荧光探测部，可收集由金刚石底面及侧面荧光反射部底面出射的荧光光子，从而提高荧光收集效率。

由上所述，通过在金刚石的上表面、侧面及底面分别设置相应的荧光反射装置及荧光探测装置，从而可显著地提高NV色心发出的荧光光子的收集率，提高金刚石NV色心系综磁强计灵敏度。

附图说明

图1为本申请第一种实施例中金刚石侧面设置侧面荧光探测部的结构示意图；

图2为本申请第一种实施例中金刚石侧面设置侧面荧光反射部的结构示意图；

图3为本申请第一种实施例中金刚石上表面激光入射区形状设置为圆形的结构示意图；

图4为本申请第一种实施例中金刚石上表面激光入射区形状设置为矩形的结构示意图

图中所述文字标注表示为：100、金刚石；110、激光入射区；200、荧光全反射层；310、物镜；320、反射镜；330、顶面滤片；340、顶面荧光探测器；410、直角棱镜；510、侧面滤片；520、侧面荧光探测器；610、第一底面滤片；620、第一底面荧光探测器；710、第二底面滤片；720、第二底面荧光探测器。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。

如图1及图2所示为本申请的第一种实施例的示意图，包括在产生NV色心荧光的金刚石100侧面设置的侧面荧光反射部或者侧面荧光探测部，以及对应所述金刚石100下方设置的第一底面荧光探测部及第二底面荧光探测部。所述金刚石的上表面设为激光入射区110及激光非入射区，也即激光入射区110以外的金刚石100上表面的其余全都为激光非入射区。所述激光非入射区表面设有荧光全反射层200，入射激光由所述激光入射区110射入所述金刚石100内，激发金刚石NV色心产生荧光。

当金刚石侧面设置侧面荧光探测部时，金刚石下方设置所述第一底面荧光探测部；当金刚石侧面设置侧面荧光反射部时，金刚石下方设置所述第二底面荧光探测部；所述侧面荧光探测部，用于检测由金刚石侧面射出的荧光光子；所述第一底面荧光探测部，用于检测由金刚石底面射出的荧光光子；所述侧面荧光反射部，用于将NV色心发出的水平方向的荧光光子反射向金刚石的底面方向；所述第二底面荧光探测部，用于检测由金刚石底面及侧面荧光反射部底面射出的荧光光子。图1为金刚石100侧面设置侧面荧光反射部的结构示意图，图2为金刚石100侧面设置侧面荧光探测部的结构示意图。

本实施例中，对于金刚石100上表面的激光非入射区出射的荧光光子主要由多次散射造成的，由于在金刚石100的上表面的激光非入射区位置不方便安装荧光探测器，因此本实施例在激光非入射区表面设置荧光全反射层200，使得荧光光子不在该区域的表面出射，使其重新回到金刚石100内部经过多次反射后重新被其他位置的荧光探测装置接收，从而提高其他位置的荧光光子收集率。

本实施例中，利用金刚石100蒸镀全反射层工艺可以在金刚石100表面建立荧光全反射层200，形成全反射结构。荧光反射层的材料包括但不限于金。本实施例中，激光入射区110的形状可根据实际设置为多种形状：圆形、椭圆、矩形或其他不规则图形等。图3为激光入射区110形状为圆形时的金刚石100示意图，图4为激光入射区110形状为矩形时的金刚石100示意图。

金刚石100上表面蒸镀荧光全反射层200的加工工艺包括：第一，采用遮挡等方法将激光入射区110的表面进行保护；第二，采用磁控溅射或蒸镀等方法加工一层几十纳米的金层，取下第一步中所用的遮挡保护金刚石100表面的部件；第三，用电镀等方式加工数微米的金层。在上述加工工艺中可省去第三步的加工步骤，仅加工几十纳米的金层也足以形成较好的荧光反射，但第三步增大金层厚度可以使得荧光全反射层200更加可靠和稳定。同时还可以将第三步更换成蒸镀一层遮光保护层，如铝膜等，也可以达到同样的效果。

在金刚石100的侧面设置侧面荧光反射部或者侧面荧光探测部：当设置侧面荧光反射部时，可使得荧光光子不在金刚石100的侧面出射，反射回金刚石100内部，从而提高其他位置的荧光光子收集率；当金刚石侧面设置侧面荧光反射部时在金刚石底面及侧面荧光反射部的底面设置第二底面荧光探测部；当设置侧面荧光探测部时，可收集由金刚石100侧面出射的荧光光子，从而提高荧光收集效率；当金刚石侧面设置侧面荧光探测部时在金刚石底面设置第一底面荧光探测部。

在一优选实施例中，对于激光入射区110出射的荧光光子通过顶面荧光探测部进行收集探测，所述顶面荧光探测部，用于检测由金刚石100顶面的激光入射区110发射出的荧光光子。

上述优选实施例中，所述顶面荧光探测部包括物镜310、反射镜320、顶面滤片330及顶面荧光探测器340，所述物镜310放置在金刚石100的顶面上。532nm激光通过反射镜320和物镜310后进入金刚石100内，激发金刚石100NV色心系综进而产生荧光。上述优选实施例中，物镜310应选用高数值孔径物镜310，优选地，采用数值孔径1.49以上的物镜310。优选地，反射镜320采用对532nm光全反射对637nm及更大波长透射的镜子。荧光光子由金刚石的激光入射区出射时依次经过物镜、反射镜、顶面滤片，并最终被顶面荧光探测器所探测接收。

上述优选实施例中，激光入射路径及荧光光子的出射路径经过上述顶面荧光探测部的各器件，其中反射镜与顶面滤片330及顶面荧光探测器340的设置位置可依据实际空间等需求而具体设置其空间位置。例如在一优选实施方式中，将反射镜、顶面滤片及顶面荧光探测器由下至上依次平行设置，还可将反射镜倾斜45°，从而使得顶面滤片及顶面荧光探测器设置在与反射镜同一高度的空间位置上。

上述优选实施例中，物镜310和金刚石100进行紧贴放置，这是因为高数值孔径物镜310焦距较小。优选地，为了使得荧光能更好地由金刚石100射入到物镜310可以在物镜310和金刚石100之间加入折射率1.6以上的高折射率油。

在一优选实施方式中，所述侧面荧光反射部设置四个，每个所述侧面荧光反射部包括直角棱镜410，各个所述直角棱镜410的直角边对应的表面分别通过紫外胶粘贴连接在金刚石100的四个侧面上；各个所述直角棱镜410的斜边对应的表面上设有荧光全反射层200。本优选实施方式中，对于直角棱镜410的荧光全反射层200，一般可以购买到具有全反射层的直角棱镜410不需要自己另行加工。如若自己进行荧光全反射层200加工的，可以参照激光非入射区的荧光全反射层200的加工工艺进行的第二步、第三步进行加工即可。本优选实施方式中，直角棱镜410优选地选取45°直角棱镜410，并要求对于637nm-800nm宽谱光均具有较好的透过率。

为配合上述优选实施方式，实施如下优选实施方式：在金刚石的下方设置第二底面荧光探测部，所述第二底面荧光探测部包括第二底面滤片710及第二底面荧光探测器720，第二底面滤片710通过紫外胶与金刚石100底面及设置在金刚石侧面的直角棱镜410的底面粘贴连接，所述第二底面荧光探测器通过紫外胶粘贴连接在第二底面滤片远离金刚石的一侧表面。本优选实施方式中，第二底面荧光探测部的第二底面滤片要同时与金刚石底面及金刚石侧面的直角棱镜的底面粘贴连接，同时使得与第二底面滤片粘贴连接的第二底面荧光探测器能够同时收集到金刚石底面出射的荧光光子及直角棱镜底面出射的荧光光子。

在一优选实施方式中，所述侧面荧光探测部设置四个，每个所述侧面荧光探测部包括侧面滤片510及侧面荧光探测器520，各个侧面滤片510通过紫外胶粘贴连接在金刚石100的四个侧面上，各个侧面荧光探测器520分别通过紫外胶粘贴连接在侧面滤片510远离金刚石100的表面。

为配合上述优选实施方式，实施如下优选实施方式：在金刚石的下方设置第一底面荧光探测部，所述第一底面荧光探测部包括第一底面滤片610及第一底面荧光探测器620，所述第一底面滤片610通过紫外胶与金刚石的底面粘贴连接，所述第一底面荧光探测器620通过紫外胶粘贴连接在第一底面滤片远离金刚石的一侧表面。本优选实施方式中，由于金刚石侧面出射的荧光光子被侧面荧光探测部直接收集检测，从而第一底面荧光探测部只采集由金刚石底面出射的荧光光子即可。

上述各个优选实施例及优选实施方式中，采用的紫外胶优选地采用折射率1.6以上的紫外胶，顶面滤片330、侧面滤片510、第一底面滤片610及第二底面滤片710优选地采用600nm以上的宽带通滤片，顶面荧光探测器340、侧面荧光探测器520、第一底面荧光探测器620及第二底面荧光探测器720采用宽带通光电二极管如FDS1010型号。

本实施例中，由于金刚石100具有较高的折射率，使得金刚石100和空气的全反射角为28°，这就使得荧光光子在金刚石100产生后很难从金刚石100中直接射出，荧光光子会在金刚石100内部产生多次反射，最终在金刚石100各个表面射出。提高荧光光子的收集率主要是通过以下两种方式实现的：第一，在荧光光子的出射面增加相应的荧光探测器；第二，在不适合增加荧光探测器的金刚石100表面增加全反射层，使得荧光光子不在该表面出射。

本实施例的收集结构可以实现NV色心系综磁强计荧光光子理论上接近100％的收集效率，从而大幅降低散粒噪声，进而提高NV色心系综磁强计灵敏度。

本实施例的荧光探测过程为：

532nm激光通过反射镜320和物镜310后进入金刚石100内，激发金刚石100NV色心系综进而产生荧光。NV色心垂直向上发出的荧光光子从金刚石100上表面的激光入射区110发出后经过物镜310、顶面滤片330后进入顶面荧光探测器340；当金刚石侧面设置侧面荧光探测部时，NV色心水平发出的荧光光子被经过四个侧面滤片510后分别进入四个侧面荧光探测器520，NV色心垂直向下发出的荧光光子被第一底面荧光探测器收集接收；当金刚石侧面设置侧面荧光反射部时，NV色心水平发出的荧光光子经过反射后连同NV色心垂直向下发出的荧光光子共同被第二底面荧光探测器收集接收。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将申请的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构，其特征在于，包括在产生NV色心荧光的金刚石侧面设置的侧面荧光反射部或者侧面荧光探测部，以及对应所述金刚石下方设置的第一底面荧光探测部及第二底面荧光探测部；

所述金刚石的上表面设为激光入射区及激光非入射区，所述激光非入射区表面设有荧光全反射层，入射激光由所述激光入射区射入所述金刚石内，激发金刚石NV色心产生荧光；

当金刚石侧面设置侧面荧光探测部时，金刚石下方设置所述第一底面荧光探测部；当金刚石侧面设置侧面荧光反射部时，金刚石下方设置所述第二底面荧光探测部；

所述侧面荧光探测部，用于检测由金刚石侧面射出的荧光光子；

所述第一底面荧光探测部，用于检测由金刚石底面射出的荧光光子；

所述侧面荧光反射部，用于将NV色心发出的水平方向的荧光光子反射向金刚石的底面方向；

所述第二底面荧光探测部，用于检测由金刚石底面及侧面荧光反射部底面射出的荧光光子。

2.根据权利要求1所述的提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构，其特征在于，还包括对应所述金刚石顶面的激光入射区设置的顶面荧光探测部，所述顶面荧光探测部，用于检测由金刚石顶面的激光入射区发射出的荧光光子。

3.根据权利要求2所述的提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构，其特征在于，所述顶面荧光探测部包括物镜、反射镜、顶面滤片及顶面荧光探测器，所述物镜放置在金刚石的顶面上，由金刚石顶面的激光入射区出射的荧光光子依次经过物镜、反射镜、顶面滤片后被射入至顶面荧光探测器内。

4.根据权利要求1所述的提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构，其特征在于，所述侧面荧光反射部设置四个，每个所述侧面荧光反射部包括直角棱镜，各个所述直角棱镜的直角边对应的表面分别通过紫外胶粘贴连接在金刚石的四个侧面上；各个所述直角棱镜的斜边对应的表面上设有荧光全反射层。

5.根据权利要求4所述的提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构，其特征在于，所述第二底面荧光探测部包括第二底面滤片及第二底面荧光探测器，第二底面滤片通过紫外胶与金刚石底面及设置在金刚石侧面的直角棱镜的底面粘贴连接，所述第二底面荧光探测器通过紫外胶粘贴连接在第二底面滤片远离金刚石的一侧表面。

6.根据权利要求1所述的提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构，其特征在于，所述侧面荧光探测部设置四个，每个所述侧面荧光探测部包括侧面滤片及侧面荧光探测器，各个侧面滤片通过紫外胶粘贴连接在金刚石的四个侧面上，各个侧面荧光探测器分别通过紫外胶粘贴连接在侧面滤片远离金刚石的表面。

7.根据权利要求6所述的提高NV色心系综磁强计系综灵敏度的荧光收集结构，其特征在于，所述第一底面荧光探测部包括第一底面滤片及第一底面荧光探测器，所述第一底面滤片通过紫外胶与金刚石的底面粘贴连接，所述第一底面荧光探测器通过紫外胶粘贴连接在第一底面滤片远离金刚石的一侧表面。

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