CN113219387A - 固态量子自旋荧光成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种固态量子自旋荧光成像系统。本发明的激光器发射激光经过一对共轭凸透镜形成平行的激光，通过声光调制器控制系统的激光，将产生的一级衍射光斑经光纤耦合器耦合进光纤中，再经过双色片作用于金刚石NV色心探头上；金刚石NV色心探头激发后产生的荧光经过双色片、滤波片之后被光电探测器收集；光电探测器输出信号作为锁相放大器的参考信号；计算机调控微波器产生微波并依次经过微波开关、微波放大器、微波环形器之后作用于金刚石NV色心探头；微波开关发出的信号作为锁相放大器的参考信号，锁相放大器的输出信号被计算机的数据采集卡收集。其有益效果是，实现光路系统的高灵敏度、高成像速度、高空间分辨率。

Description

固态量子自旋荧光成像系统
技术领域
本发明涉及一种荧光成像系统，尤其是涉及一种固态量子自旋荧光成像系统，属于磁场测量技术领域。
背景技术
随着社会的发展和科技的进步，磁场测量技术的进展和应用越来越受到人们的关注，一些新的物理效应的发现、新技术的突破，使磁场测量装置的性能有了很大提升。目前，用于微小尺度的磁场测量方法主要包括：超导量子干涉仪，扫描霍尔探针显微镜，磁力显微镜（MFM），磁力共振显微镜（MRFM）等。理论上的空间和磁场分辨率限制超过了先前提到的技术，其在环境条件下的固有操作和低外部磁场是领先的。
将NV色心磁测量技术和扫描成像技术结合起来，通过探测固定的NV四面体的四个对称轴方向的共振跃迁来提取局部磁场矢量，使用金刚石中的NV色心来对磁性结构周围磁场成像。含有NV色心的金刚石探针通过原子力显微镜（AFM）可以对样品进行逐点扫描，定量的获取样品表面的磁场大小信息，构造局部磁场向量的二维图像，并能够在小于50G的外部场中和环境条件下进行的测量。
近些年金刚石NV色心的研究在量子传感领域开辟了无限的可能性，使用NV色心作为接近磁力计的早期实验显示出可喜的结果。
发明内容
为了将使用NV色心作为接近磁力计的早期实验结果应用于微小尺度的磁场测量，本发明提供一种固态量子自旋荧光成像系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种固态量子自旋荧光成像系统，包括光路系统和微波系统，所述光路系统包括激光器、一对共轭凸透镜、声光调制器、光纤耦合器、双色片、金刚石NV色心探头、磁铁、滤波片、光电探测器；所述微波系统包括计算机、微波器、微波开关、微波放大器、微波环形器和锁相放大器。
所述光路系统的激光器发射532nm绿色激光经过一对共轭凸透镜形成平行的激光，通过声光调制器控制系统的激光，将产生的一级衍射光斑经光纤耦合器耦合进光纤中，再经过双色片作用于金刚石NV色心探头上；所述金刚石NV色心探头激发后产生的荧光经过双色片、滤波片之后被光电探测器收集；所述光电探测器输出信号作为锁相放大器的参考信号。
所述微波系统的计算机调控微波器产生微波并依次经过微波开关、微波放大器、微波环形器之后作用于金刚石NV色心探头。
所述微波开关发出的信号作为锁相放大器的参考信号，锁相放大器的输出信号被计算机的数据采集卡收集，并做最后的数据处理。
进一步，所述金刚石NV色心探头的金刚石薄膜尺寸为长100μm～10cm、宽100μm～10cm、厚度10～200μm。
进一步，所述金刚石薄膜粘在光纤的末端。
进一步，所述磁铁施加磁场于金刚石NV色心探头上。
进一步，所述金刚石薄膜与光纤探头末端采用紫外固化胶水固定。
本发明的有益效果是，以金刚石NV色心探头为核心元件，通过将激发光缩束成均匀的光场，提高声光调制器的衍射效率；利用光学探测磁共振的原理，金刚石薄膜在激发光和微波的共同作用下，发射的荧光会随着外界磁场变化而变化；同时采用光电探测器对金刚石NV色心探头产生的荧光进行收集，提高荧光变化的收集精度，根据荧光变化就可以推测出外界磁场的变化；结合锁相放大技术，实现成像系统的高灵敏度、高成像速度、高空间分辨率等功能。
附图说明
图1是本发明固态量子自旋荧光成像系统的结构示意图。
图2是本发明固态量子自旋荧光成像系统的工作流程图。
图中：1.激光器，2.共轭凸透镜，3.锁相放大器，4.声光调制器，5.光纤耦合器，6.双色片，7.金刚石NV色心探头，8.磁铁，9.滤波片，10.光电探测器，11.计算机，12.微波器，13.微波开关，14.微波放大器，15.微波环形器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。
参见附图1-2。本发明一种固态量子自旋荧光成像系统，包括光路系统和微波系统，所述光路系统包括激光器1、一对共轭凸透镜2、声光调制器4、光纤耦合器5、双色片6、金刚石NV色心探头7、磁铁8、滤波片9、光电探测器10。所述微波系统包括计算机11、微波器12、微波开关13、微波放大器14、微波环形器15和锁相放大器3。
所述光路系统的激光器1发射532nm绿色激光经过一对共轭凸透镜2形成平行的激光，通过声光调制器4控制系统的激光，将产生的一级衍射光斑经光纤耦合器5耦合进光纤中，再经过双色片6作用于金刚石NV色心探头7上；所述金刚石NV色心探头7激发后产生的荧光经过双色片6、滤波片9之后被光电探测器10收集；所述光电探测器10输出信号作为锁相放大器3的参考信号。激光器1发射532nm绿色激光经过一对共轭凸透镜2进行缩束；然后利用光场校准系统将缩束之后的光变成均匀的光场，此时的光场可以根据金刚石中的NV色心浓度来调节光场强度；之后，绿色激发光经过双色片后发射照射在金刚石NV色心探头7上，并且探头末端金刚石薄膜全部处于光场之中，金刚石NV色心在绿色光的激发之下会发射出红色的荧光。荧光的发射是不定向的，但是有一部分的荧光会原路返回至双色片6，并且透射进入荧光的收集部分，但此时的荧光中含有绿色激发光，利用一个光学带通滤波片9将绿色的光滤掉，留下NV色心发射的荧光。
所述微波系统的计算机11调控微波器12产生微波并依次经过微波开关13、微波放大器14、微波环形器15之后作用于金刚石NV色心探头7。
所述微波开关13发出的信号作为锁相放大器3的参考信号，锁相放大器3的输出信号被计算机11的数据采集卡收集，并做最后的数据处理。
采用锁相放大器3来提高系统收集信号的精确度。锁相放大器3发出信号控制微波开关13，同时发出相同的信号作为锁相放大器3的参考信号。金刚石中NV色心发射的荧光被光电探测器10接收，光电探测器10的输出信号作为锁相放大器3的输入信号。锁相放大器3的输出信号被计算机11的数据采集卡接收，最后进行数据处理，获得高精度的测量数据。
进一步，所述金刚石NV色心探头7的金刚石薄膜尺寸为长100μm～10cm、宽100μm～10cm、厚度10～200μm。
进一步，所述金刚石薄膜粘在光纤的末端。
进一步，所述磁铁8施加磁场于金刚石NV色心探头7上，磁铁8所加的磁场为偏置磁场，其目的是通过偏置的磁场对四个轴向的NV色心作用产生塞曼劈裂，从而测出各个轴向上的磁场大小。
进一步，所述金刚石薄膜与光纤探头末端采用紫外固化胶固定。
本发明固态量子自旋荧光成像系统包括光学激发和收集装置、样品扫描装置、金刚石的扫描探头、静磁场、微波调整装置以及信号处理装置。光学激发和收集装置用于利用预设波长的激光激发该金刚石NV色心的电子状态，记录NV色心发出的荧光，并输出反映该荧光的荧光信号；样品位移装置用于控制样品与探头的相对移动，实现样品XYZ三个方向的成像；静磁场调节装置用于控制施加在金刚石NV色心的静磁场，主要目的是将金刚石中的不同轴向的色心分开，继而实现矢量磁场的测量；微波器通过天线将调制的微波脉冲导入金刚石NV色心中，实现微波操控NV中心的能带跃迁；信号处理装置用于根据荧光信号重构待测样品在微米量级分辨率的磁场，从而实现测样品磁场的测量。
本发明固态量子自旋荧光成像系统的成像方法，其中，所述激光器1用于发射预设波长的激光为532nm绿色激光。
本发明固态量子自旋荧光成像系统的成像方法，其中，所述金刚石薄膜与光纤探头末端采用紫外固化胶水固定，紫外固化胶水的特点是在激光的照射下不会产生与色心荧光波段重合的荧光，从而降低信号的噪声。
本发明固态量子自旋荧光成像系统的成像方法，其中，激光器用于使用设定的激发波长的激光激发金刚石薄膜NV色心和操控其基态能级。
本发明的激发光在进行缩束之后形成均匀光强耦合进光纤中照射在金刚石薄膜上。
本发明成像系统也可以进行移动扫描，并最终实现更大区域范围的磁场成像。
本发明中的外加磁场用于施加和改变金刚石NV色心的偏置磁场强度和磁场方向，从而实现样品位置矢量磁场的测试。
本发明中，所述微波器提供调制的微波脉冲，并通过微波天线将微波信号加载到金刚石薄膜上。
本发明中的锁相放大器将收集的荧光信号进一步处理完成磁成像。
基于上述技术方案可知，本发明具有如下有益效果：
1、利用NV色心测量交变场的方法可以测量自旋波，与扫描成像技术结合进行局域的磁性材料微波响应研究。
2、NV色心成像具有能够同时进行多种信息扫描成像的潜力，比如形貌和磁场同时扫描，发挥NV色心测量电场的能力则可以进行静电场扫描。
3、优化金刚石中的NV色心浓度以及自旋性质，继而提高温度测量的灵敏度，为更高精度的温度测量提供了充分方案。
应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。

Claims (5)

1.一种固态量子自旋荧光成像系统，包括光路系统和微波系统，其特征是：
所述光路系统包括激光器、一对共轭凸透镜、声光调制器、光纤耦合器、双色片、金刚石NV色心探头、磁铁、滤波片、光电探测器；
所述微波系统包括计算机、微波器、微波开关、微波放大器、微波环形器和锁相放大器；
所述光路系统的激光器发射532nm绿色激光经过一对共轭凸透镜形成平行的激光，通过声光调制器控制系统的激光，将产生的一级衍射光斑经光纤耦合器耦合进光纤中，再经过双色片作用于金刚石NV色心探头上；所述金刚石NV色心探头激发后产生的荧光经过双色片、滤波片之后被光电探测器收集；所述光电探测器输出信号作为锁相放大器的参考信号；
所述微波系统的计算机调控微波器产生微波并依次经过微波开关、微波放大器、微波环形器之后作用于金刚石NV色心探头；
所述微波开关发出的信号作为锁相放大器的参考信号，锁相放大器的输出信号被计算机的数据采集卡收集，并做最后的数据处理。
2.根据权利要求1所述固态量子自旋荧光成像系统，其特征是：所述金刚石NV色心探头的金刚石薄膜尺寸为长100μm～10cm、宽100μm～10cm、厚度10～200μm。
3.根据权利要求2所述固态量子自旋荧光成像系统，其特征是：所述金刚石薄膜粘在光纤的末端。
4.根据权利要求3所述固态量子自旋荧光成像系统，其特征是：所述磁铁施加磁场于金刚石NV色心探头上。
5.根据权利要求1-4任一所述固态量子自旋荧光成像系统，其特征是：所述金刚石薄膜与光纤探头末端采用紫外固化胶水固定。
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