CN113219384A - 一种磁场探测器及磁场探测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁场探测器和磁场探测设备包括：光纤、衬底和金刚石柱体，光纤通过衬底与金刚石柱体结合，金刚石柱体内包括氮空位色心；该磁场探测器在使用过程中第一激光光束入射至光纤中，光纤将第一激光光束通过衬底传输至金刚石柱体中该第一激光光束对金刚石柱体内的氮空位色心进行激发，使该氮空位色心在激发后发射出荧光，通过对该荧光进行分析即可得到待检测环境中的磁场分布，由于金刚石柱体内的氮空位色心是一种量子传感器，灵敏度高、空间分辨率高，并且在室温条件下易于初始化和读出，故本发明实施例中的磁场探测器具有体积小、灵敏度和空间分辨率高、使用方便、适用范围广的特点。

Description

一种磁场探测器及磁场探测设备

技术领域

本发明实施例涉及磁场探测技术领域，特别是涉及一种磁场探测器及磁场探测设备。

背景技术

目前，微弱磁场精密测量在物理及化学等基础科学研究、新型材料与医药研发、信息安全与国防建设、资源勘探与人工智能等众多领域具有重要意义。现有的磁场探测技术包括半导体霍尔传感器、超导量子干涉仪、无自旋交换弛豫磁强计等，都致力于提升空间分辨率和探测灵敏度。其中，超导量子干涉仪(superconducting quantum interferencedevice，SQUID)是目前工程应用中灵敏度最高的弱磁场测量装置，但超导量子干涉仪需求工作在低温，因此在工作时需要液氮液氦对仪器进行降温，并且超导量子干涉仪的体积庞大，维护费用高，在空间分辨率方面很难突破微米量级；无自旋交换弛豫(spin exchangerelaxation-free，SERF)磁强计也需要达到一定的温度才能够工作，通常需要对敏感元加热，从而限制了其在生物医学领域的应用，同时加热装置也增大了仪器体积。

鉴于此，如何提供一种体积小、空间分辨率高适用范围广的磁场探测器及磁场探测设备成为本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种磁场探测器及磁场探测设备，具有体积小、灵敏度和空间分辨率高、使用方便、适用范围广的特点。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种磁场探测器，包括：光纤、衬底和金刚石柱体，所述光纤通过所述衬底与所述金刚石柱体结合，所述金刚石柱体内包括氮空位色心；其中，所述光纤用于将接收到的第一激光光束经过所述衬底传输至所述金刚石柱体中以对所述氮空位色心进行激发，使所述氮空位色心在激发后发射出荧光，以便对所述荧光进行分析得到待检测环境中的磁场分布。

可选的，还包括设置于所述金刚石柱体外侧、与所述金刚石柱体共轴的纳米圆环，以及设置于所述金刚石柱体与所述纳米圆环之间的纳米缝隙。

可选的，所述纳米圆环为硅纳米圆环。

可选的，所述金刚石柱体内部包括单个氮空位色心。

可选的，所述单个氮空位色心与所述金刚石柱体上远离所述衬底的底面之间的距离小于10nm。

可选的，所述衬底为金刚石衬底。

可选的，所述金刚石柱体为金刚石圆柱体。

可选的，所述衬底的热导率大于100和/或所述衬底与所述光纤之间的折射率差值小于预设差值。

本发明实施例还提供了一种磁场探测设备，包括光学探测器、处理器以及如上述所述的磁场探测器；其中：

所述磁场探测器，用于通过光纤接收第一激光光束，并将所述第一激光光束经过衬底传输至金刚石圆柱中以对所述金刚石圆柱内的氮空位色心进行激发后发射出荧光；

所述光学探测器，用于对所述荧光进行探测，并采集对应的荧光信号；

所述处理器，用于对所述荧光信号进行分析得到对应的荧光寿命，并依据所述荧光寿命得到所述磁场探测器周围的待检测环境中的磁场分布。

可选的，所述金刚石柱体外侧设有与所述金刚石柱体共轴的纳米圆环，所述金刚石柱体与所述纳米圆环之间设有纳米缝隙；

所述磁场探测器，还用于通过所述光纤接收第二激光光束，并将所述激光光束经过所述衬底聚集至所述纳米缝隙中。

本发明实施例提供了一种磁场探测器和磁场探测设备，磁场探测器是由光纤、衬底和内部具有氮空位色心的金刚石柱体构成的，光纤和金刚石柱体设置于衬底的两端，该磁场探测器在使用过程中第一激光光束入射至光纤中，光纤将第一激光光束通过衬底传输至金刚石柱体中该第一激光光束对金刚石柱体内的氮空位色心进行激发，使该氮空位色心在激发后发射出荧光，通过对该荧光进行分析即可得到待检测环境中的磁场分布，由于金刚石柱体内的氮空位色心是一种量子传感器，灵敏度高、空间分辨率高，并且在室温条件下易于初始化和读出，故本发明实施例中的磁场探测器具有体积小、灵敏度和空间分辨率高、使用方便、适用范围广的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种磁场探测器的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种磁场探测器的剖面结构示意图；

图3为图2的俯视示意图；

图4为本发明实施例提供的一种磁场探设备的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种荧光曲线寿命示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种磁场探测器及磁场探测设备，具有体积小、灵敏度和空间分辨率高、使用方便、适用范围广的特点。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种磁场探测器的结构示意图。该磁场探测器包括：光纤1、衬底2和金刚石柱体3，光纤1通过衬底2与金刚石柱体3结合，金刚石柱体3内包括氮空位色心；其中，光纤1用于将接收到的第一激光光束经过衬底2传输至金刚石柱体3中以对氮空位色心进行激发，使氮空位色心在激发后发射出荧光，以便对荧光进行分析得到待检测环境中的磁场分布。

需要说明的是，金刚石中的氮空位(nitrogen-vacancy，NV)色心这一固态单自旋体系具有许多优点，例如室温条件下易于初始化和读出，可操控，具有较长相干时间，高灵敏度，高空间分辨率，丰富的能级结构等，这使得它不仅在量子信息、量子计算等领域崭露头角，而且在量子精密测量上显现出巨大的应用前景。NV色心作为量子传感器，最终实用化的目标是将其应用于金刚石体外信号表征，并且NV色心易受到外界磁信号干扰，因此可以作为一种灵敏的磁场传感器。

具体的，本发明实施例中基于金刚石的氮空位色心具有的优势设计一款磁场探测器，具体可以在光纤的末端设置磁场纳米探针，其中，该磁场探测器中的衬底2设置于光纤1的末端，在实际应用中可以在光纤1的末端涂覆一层薄膜，该薄膜即为衬底2，然后在衬底2的表面设置金刚石柱体3，该金刚石柱体3内包括氮空位色心(如图1中的箭头所示)，其中，衬底2和金刚石柱体构成磁场纳米探针，在对环境中的磁场进行测量时，将第一激光光束从光纤1的上端通过光纤1的耦合器耦合至纳米探针，具体通过光纤1将第一激光光束传输至衬底2，第一激光光束通过衬底2传输至金刚石柱体3中并达到氮空位色心，并激发氮空位色心电子能级，在对氮空位色心的电子能级进行激发后辐射出荧光，通过对该荧光进行分析即可得到待检测环境中的磁场分布情况。具体的，可以通过光探测器对磁场探测器辐射出的荧光进行接收，并提取出对应的荧光信号，然后在通过处理器对该荧光信号进行分析得到荧光寿命，并根据该荧光寿命进一步推断出待检测环境中磁场的微弱变化。

也即，本发明实施例中磁场探测器可以利用氮空位色心来测量外部磁场的空间分布，通过光纤能够最大范围的实现小体积、多维度磁场测量，并且实现纳米分辨率和高灵敏度。本发明结构简单，使用方便，可以在室温下工作，无需其他微波或将为装置，适用范围广，体积小，空间分辨率和检测灵敏度高，且成本低。

还需要说明的是，由于光在光纤与衬底接触面上传输时会发生反射，产生光损耗，本发明实施例中为了使入射至光纤1中的光在传输至衬底2内时产生较少的光损耗，并且为了降低整个磁场纳米探针的光学加热效应，具体可以采用折射率接近光纤1、且导热率大于预设阈值(例如100)的材料制作衬底2，又由于金刚石具有较低的光学吸收损耗和较高的导热率，因此在实际应用中可以采用金刚石衬底，并且金刚石衬底作为纳米散热器能够进一步降低磁场纳米探针的光学加热效应。

具体的，由于单模光纤成本较低、且能够使光能量更加集中，因此本发明实施例中的光纤1可以采用单模光纤，结构简单且成本低，并且还能够更好地将光集中在金刚石柱体中心以便使激发氮空位色心的光强更大，从而激发出更强的荧光，以便提高产品灵敏度。其中，本发明实施例中的单模光纤的纤芯直径可以为8μm，当然也可以为其他的具体尺寸，其具体尺寸可以根据实际需要进行确定本发明实施例不做特殊限定。

进一步的，该磁场探测器还可以包括设置于金刚石柱体3外侧、与金刚石柱体3共轴的纳米圆环4，以及设置于金刚石柱体3与纳米圆环4之间的纳米缝隙5。

需要说明的是，如图2和图3所示，本发明实施例中的金刚石柱体3外侧设置一圈纳米圆环4，该纳米圆环4和金刚石柱体3均设置于衬底2的表面，并且纳米圆环4的半径大于金刚石柱体3的半径，纳米圆环4和金刚石柱体3之间形成一圈纳米缝隙5，其中，金刚石柱体3、纳米缝隙5和纳米圆环4构成纳米孔结构，在实际应用中纳米孔结构可以通过电子束曝光技术或聚焦离子束光刻技术加工制作而成。在磁场探测器使用过程中，可以将第二激光光束(例如1064nm的红外激光)入射至光纤1上端，通过光纤耦合器耦合进入磁场纳米探针，并最终达到纳米孔结构，以对将纳米孔结构中的纳米孔径进行近场光学局限和放大。也即，本发明实施例中利用纳米孔结构实现光的纳米局限和近场放大，具体的，第二激光光束通过衬底2可以聚集在纳米缝隙5中，也即纳米缝隙5能够对光进行有效聚集，从而把光信号局限在纳米尺度，有利于提高空间分辨率，并且能够对环境信号进行放大，有利于提高检测灵敏度。

具体的，本发明实施例中的金刚石柱体3可以为金刚石圆柱体，圆柱体较易加工，因此可以降低工艺制作难度，提高加工效率。其中，金刚石圆柱体的纤芯直径d可以为120nm，金刚石圆柱体的高度可以为150nm，纳米缝隙5的径向宽度可以为t＝30nm，纳米圆环4的外径D可以与光纤1的纤芯相当，具体也可以为8μm。

进一步的，本发明实施例中的纳米圆环具体可以为硅纳米圆环。具体的，为了降低光损耗以及降低磁场纳米探针的光学加热效应，本发明实施例中具体可以采用硅纳米圆环。

更进一步的，为了在确保高灵敏度的情况下，使加工制造工艺更加简单，本发明实施例中的金刚石柱体内部具体可以包括单个氮空位色心，也即在金刚石柱体内只有一个氮空位色心，因此在加工制作时无需考虑其方向性以及其他氮空位色心对其的影响。

具体的，为了进一步提高磁场探测器的检测灵敏度，本发明实施例中可以使单个氮空位色心位于金刚石柱体内近底面的位置，该底面具体为远离衬底1的那个地幔，具体的单个氮空位色心与金刚石柱体上远离衬底的底面之间的距离小于10nm，例如距离为5nm～10nm。

还需要说明的是，本发明中的磁场探测器是基于NV色心的全固态纳米探针，由于NV色心的荧光非常稳定，因此本发明除了可以作为一种量子传感器之外，也可以当作良好的单光子光源，用于量子密钥分配、生物荧光标记、量子计算等实验。另外，由于NV色心的电子自旋相干时间可达到毫秒量级，故本发明还可以作为量子计算机系统的基本部件，同时本发明引入了纳米结构，可以作为新型三维可移动纳米光镊。

可见，磁场探测器是由光纤、衬底和内部具有氮空位色心的金刚石柱体构成的，光纤和金刚石柱体设置于衬底的两端，该磁场探测器在使用过程中第一激光光束入射至光纤中，光纤将第一激光光束通过衬底传输至金刚石柱体中该第一激光光束对金刚石柱体内的氮空位色心进行激发，使该氮空位色心在激发后发射出荧光，通过对该荧光进行分析即可得到待检测环境中的磁场分布，由于金刚石柱体内的氮空位色心是一种量子传感器，灵敏度高、空间分辨率高，并且在室温条件下易于初始化和读出，故本发明实施例中的磁场探测器具有体积小、灵敏度和空间分辨率高、使用方便、适用范围广的特点。

在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种磁场探测设备，具体请参照图4，该设备包括光学探测器、处理器以及如上述的磁场探测器；其中：

磁场探测器21，用于通过光纤接收第一激光光束，并将第一激光光束经过衬底传输至金刚石圆柱中以对金刚石圆柱内的氮空位色心进行激发后发射出荧光；

光学探测器22，用于对荧光进行探测，并采集对应的荧光信号；

处理器23，用于对荧光信号进行分析得到对应的荧光寿命，并依据荧光寿命得到磁场探测器周围的待检测环境中的磁场分布。

进一步的，本发明实施例中的金刚石柱体外侧设有与金刚石柱体共轴的纳米圆环，金刚石柱体与纳米圆环之间设有纳米缝隙；

磁场探测器21，还用于通过光纤接收第二激光光束，并将激光光束经过衬底聚集至纳米缝隙中。

需要说明的是，在实际应用中可以采用两束激光(第一激光光束和第二激光光束)通过光纤的光纤耦合器耦合至磁场纳米探针，其中，第一激光光束具体可以采用532nm的绿激光脉冲(也即脉冲激光)，从而可以利用该第一激光光束激发内嵌氮空位色心电子能级，氮空位色心辐射出的荧光被光探测器接收并输出荧光信号，处理器接收荧光信号并采样得到荧光寿命(也即自旋弛豫时间T1)，从而根据荧光寿命推断出待检测环境中磁场的微弱变化，也即分析出待检测环境中的磁场分布情况；第二激光光束具体可以1064nm红外激光(连续激光)，利用该第二激光光束能够对纳米孔结构中的纳米孔径进行近场光学局限和放大，从而提高空间分辨率和检测灵敏度，尤其是在待检测环境中的存在微弱信号时，通过对微弱信号的放大，能够使检测精度更高。其中，该1064nm红外激光具体可以选择线性偏振光和左/右旋圆偏振光，可以实现线性和圆环状光场局限，并探索跟偏振相关的光学信号，比如手性分子探测等。

还需要说明的是，本发明实施例是通过金刚石表面浅氮空位色心的固体原子自旋与微波相互作用的原理，实现对外界微弱磁场频率和强度的测量。氮空位色心的基态能级为三重态，并且存在2.87GHz的零场分裂，即当外界微波频率为2.87GHz时氮空位色心电子基态能级将发生分裂。当用532nm激光激发氮空位色心，氮空位色心的电子吸收一个绿光光子，并从基态激发到激发态，当电子再次回落到基态时，便会发出荧光，其中的637nm零声子线跟电子自旋状态密切相关。在本发明实施例中，金刚石柱体3、纳米缝隙5和纳米圆环4构成纳米孔结构，并且金刚石柱体3内嵌单个氮空位色心，该单个氮空位色心置于同轴纳米孔结构中心的金刚石主体3的纳米颗粒中，并使该单个氮空位色心距离金刚石主体3的底面表面足够近(距离小于10nm)，因此可以检测到周围磁场的微弱变化，并保持自身良好的自旋相干性和光学属性。

另外，本发明实施例中采用的方法属于磁共振弛豫法，具体的第一激光光束采用绿脉冲激光分为泵浦(pump)脉冲和探测(probe)脉冲，脉冲周期为τ，泵浦脉冲用于光学激发和再激发，探测脉冲用于荧光读出。如图5所示，在没有外部磁场的扰动下，自旋ms＝±1能级简并，荧光曲线如5中的实线所示，由于周围环境的微小磁扰动，噪声频谱中的2.87GHz扰动分量驱动氮空位色心基态能级ms＝0和ms＝±1之间的磁偶极跃迁，外部微弱磁场引起氮空位色心ms＝±1能级变成非简并，发生塞曼劈裂，氮空位色心电子自旋状态发生变化，处于不同电子自旋能级的粒子数发生变化，荧光强度降低，寿命变短，荧光曲线如图5虚线所示。

如图4所示，周围环境的微小磁场扰动可以由外界直接施加，也可能是来自其他未知的电子自旋，如病毒、DNA等，本发明在探测过程中不需要额外的微波激发装置，氮空位色心电子基态自旋能级仅依赖于噪声频谱中的2.87GHz特定频率分量。

可见，本发明实施例能够实现三维空间微弱磁场测量和电子自旋量子态调控，具有超高的空间分辨率和较好的稳定性，并且具有体积小、成本低、精度高、灵敏度高、操作简单等优势，可服务于未来各个领域的微弱磁场检测需求。相比较其他基于氮空位色心的磁场传感器，本发明不需要微波调控装置，适用范围广泛，对操作环境没有严格要求，并且除了可用于探测磁场，也可用于探测其他物理参量，比如电场、电压、温度、压力等。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种磁场探测器，其特征在于，包括：光纤、衬底和金刚石柱体，所述光纤通过所述衬底与所述金刚石柱体结合，所述金刚石柱体内包括氮空位色心；其中，所述光纤用于将接收到的第一激光光束经过所述衬底传输至所述金刚石柱体中以对所述氮空位色心进行激发，使所述氮空位色心在激发后发射出荧光，以便对所述荧光进行分析得到待检测环境中的磁场分布。

2.根据权利要求1所述的磁场探测器，其特征在于，还包括设置于所述金刚石柱体外侧、与所述金刚石柱体共轴的纳米圆环，以及设置于所述金刚石柱体与所述纳米圆环之间的纳米缝隙。

3.根据权利要求2所述的磁场探测器，其特征在于，所述纳米圆环为硅纳米圆环。

4.根据权利要求1所述的磁场探测器，其特征在于，所述金刚石柱体内部包括单个氮空位色心。

5.根据权利要求2所述的磁场探测器，其特征在于，所述单个氮空位色心与所述金刚石柱体上远离所述衬底的底面之间的距离小于10nm。

6.根据权利要求1所述的磁场探测器，其特征在于，所述衬底为金刚石衬底。

7.根据权利要求1所述的磁场探测器，其特征在于，所述金刚石柱体为金刚石圆柱体。

8.根据权利要求1所述的磁场探测器，其特征在于，所述衬底的热导率大于100和/或所述衬底与所述光纤之间的折射率差值小于预设差值。

9.一种磁场探测设备，其特征在于，包括光学探测器、处理器以及如权利要求1至8任意一项所述的磁场探测器；其中：

所述磁场探测器，用于通过光纤接收第一激光光束，并将所述第一激光光束经过衬底传输至金刚石圆柱中以对所述金刚石圆柱内的氮空位色心进行激发后发射出荧光；

所述光学探测器，用于对所述荧光进行探测，并采集对应的荧光信号；

所述处理器，用于对所述荧光信号进行分析得到对应的荧光寿命，并依据所述荧光寿命得到所述磁场探测器周围的待检测环境中的磁场分布。

10.根据权利要求9所述的磁场探测器，其特征在于，所述金刚石柱体外侧设有与所述金刚石柱体共轴的纳米圆环，所述金刚石柱体与所述纳米圆环之间设有纳米缝隙；

所述磁场探测器，还用于通过所述光纤接收第二激光光束，并将所述激光光束经过所述衬底聚集至所述纳米缝隙中。

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