CN113484537A - 一种基于nv色心固态自旋的差分式加速度敏感装置 - Google Patents

Abstract

一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，包括对称结构，NV色心敏感模块和检测模块，对称结构包括磁源、弹性梁和对称基底，两个NV色心敏感模块分别固定在对称基底两侧突起部分垂直于z轴的表面。其工作原理为，当外界加速度作用时，对称结构中弹性梁发生形变，将加速度量转换为磁源沿x轴、y轴和z轴的三轴位移变化量，进而影响NV色心敏感模块处的磁场，使得NV色心电子自旋能级发生变化，利用检测模块的激光和微波实现NV色心自旋的极化和操纵，并通过读取NV色心释放的双路荧光信号，解算磁场信息，实现加速度的差分测量。本发明利用NV色心测磁灵敏度高的优点，通过对称结构的合理设计，实现了加速度的差分检测，提高了加速度测量精度。

Description

一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置

技术领域

本发明涉及惯性测量领域，特别是涉及一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置。

背景技术

惯性导航作为一种全自主、实时、连续的无源导航技术，广泛应用于航空、航天、航海、测绘和交通等军用及民用领域，加速度敏感装置是敏感轴向加速度信号并转换成电信号的装置，作为惯性导航系统的核心信息源之一，是决定导航性能的关键器件，因此，发展高性能的加速度敏感装置始终是国内外的研究热点。

目前，传统MEMS加速度敏感装置性能难以突破其材料特性和工艺技术等限制因素，而其它高精度加速度敏感装置或操控系统复杂、体积较大，难以小型化，或对温度有较高要求、成本高昂，短期内难以工程化。金刚石NV色心是一种易于实现光学操控的新型固态量子体系，基于金刚石NV色心自旋的量子传感技术，以其室温下高稳定、高灵敏度和高空间分辨率的特点，成为精密测量领域的新方向，且金刚石NV色心轴具有

对称性，可用于测量矢量磁场，因此，基于NV色心固态自旋系统敏感加速度是突破传统加速度敏感装置技术瓶颈的可行方案，考虑到利用磁悬浮技术悬浮磁源实现加速度差分测量，易引入磁场干扰，且操作复杂，因此需进一步优化。

一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，利用NV色心高灵敏度测磁的特点，通过设计合理的差分对称结构实现加速度信号测量的噪声补偿，有望成为高精度、小体积、便携式的新一代加速度传感器，具有可观的发展前景。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，通过对称结构实现对加速度信号的双路检测并差分处理，可实现加速度信息的高灵敏度测量。

本发明提供一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，包括主体对称结构，NV色心敏感模块和检测模块；

所述主体对称结构包括磁源、弹性梁和对称基底，所述磁源设置在弹性梁上端，所述弹性梁底端固定在对称基底底部的中间，实现加速度作用下磁源发生三轴位移变化，所述弹性梁和磁源沿对称基底的对阵轴设置；

所述NV色心敏感模块有2个且分别为NV色心敏感模块一和NV色心敏感模块二，两个NV色心敏感模块分别固定在对称基底两侧突起部分且垂直于z轴的表面，当外界加速度作用时，对称结构中弹性梁发生形变，将加速度量转换为磁源沿x轴，y轴或z轴的三轴位移变化量，进而影响NV色心敏感模块处的磁场，使得NV色心电子自旋能级发生变化，利用检测模块的激光和微波实现NV色心自旋的极化和操纵，并通过读取NV色心释放的双路荧光信号，解算磁场信息，实现三轴加速度的差分检测；

所述NV色心敏感模块包括光纤、金刚石NV色心、反射膜和微波天线；所述光纤设置在对应金刚石NV色心上方，用于传输激光信号和荧光信号；所述反射膜固定在所述对称基底两侧凸起部分垂直于z轴的表面，用于反射金刚石NV色心发出的荧光信号到所述光纤；所述金刚石NV色心固定在所述反射膜上表面中心位置，用于敏感磁场变化；所述微波天线紧邻金刚石NV色心，且固定在所述反射膜上表面，用于辐射微波；

所述检测模块包括环形器、滤光片、数据处理器、光电探测器、分束器、激光源和微波源，所述环形器有2个且分别为左环形器和右环形器,所述滤光片有2个且分别为左滤光片和右滤光片,所述左环形器和右环形器与光电探测器相连，所述左环形器与左滤光片相连，所述右环形器与右滤光片相连，所述光电探测器与数据处理器相连，所述微波源与NV色心敏感模块一和NV色心敏感模块二相连，所述微波源发出微波信号并通过所述微波天线作用到金刚石NV色心实现能级共振，所述激光源与分束器相连，所述分束器与左环形器和右环形器相连；

所述主体对称结构将加速度作用量转换为磁源沿x轴，y轴或z轴的位移变化量，并固定所述NV色心敏感模块；所述NV色心敏感模块将磁源位移变化量转换为荧光变化，并连接所述检测模块；所述检测模块将金刚石NV色心所受磁场转换为电学量，并通过差分处理补偿环境噪声。

进一步，本发明所述主体对称结构中对称基底为关于z轴对称的“凹”字型结构，且两侧突起部分垂直于z轴的表面分别设置所述NV色心敏感模块，本申请主体对称结构的对称基底采用关于z轴对称的“凹”字型结构。

进一步，本发明所述金刚石NV色心为NV色心系综，且沿z轴正方向的金刚石表面通过蚀刻技术加工为固态半球镜结构，金刚石NV色心采用NV色心系综，表面为固态半球镜结构并通过蚀刻技术加工。

进一步，本发明所述检测模块的激光源发出532nm激光，一般使用532nm的激光。

作为本发明进一步改进，所述主体对称结构中，所述对称基底为关于z轴对称的“凹”字型结构，且两侧突起部分垂直于z轴的表面分别设置所述NV色心敏感模块；所述弹性梁的一端固定在对称基底底部，另一端连接所述磁源，实现加速度作用下磁源发生三轴位移变化；所述弹性梁和磁源沿对称基底的对阵轴设置。

作为本发明进一步改进，所述金刚石NV色心为NV色心系综，且沿z轴正方向的金刚石表面通过蚀刻技术加工为固态半球镜结构，用于提高光子收集效率。

作为本发明进一步改进，所述检测模块的激光源发出532nm激光并由分束器分成两束，分别进入两环形器后输出至两NV色心敏感模块实现对金刚石NV色心的自旋极化；所述微波源发出微波信号并通过所述微波天线作用到金刚石NV色心实现能级共振；所述金刚石NV色心发出荧光信号经反射片反射并通过光纤进入两环形器，分别由两滤光片滤除激光后到达光电探测器实现双路荧光信号检测，并输出至数据处理器实现差分去噪。

与现有技术相比，本发明的一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，具备以下优点：（1）本发明设计的加速度传感结构利用弹性梁形变将加速度转换为磁源沿x轴、y轴或z轴的位移变化，避免了磁悬浮式设计中用于悬浮磁源的磁场干扰影响；（2）本发明设计的加速度传感装置基于金刚石NV色心自旋量子体系，敏感体积较小，微小型化潜力大；（3）本发明设计的NV色心敏感模块，通过设计固态半球镜结构，提高了荧光收集效率，提高了加速度计测量灵敏度；（4）本发明设计的检测模块通过双路信号同时检测及信号差分处理，可补偿环境噪声，提高了加速度计测量精度。

附图说明

图1为所述基于NV色心的差分式三轴加速度计的总体结构示意图。

其中，1为磁源，2为弹性梁，3为对称基底，4a为NV色心敏感模块一，4b为NV色心敏感模块二，5a为左环形器，5b为右环形器，6a为左滤光片，6b为右滤光片，7为数据处理器，8为光电探测器，9为分束器，10为激光源，11为微波源。

图2为所述NV色心敏感模块示意图。

其中，12为光纤， 13为金刚石NV色心，14为反射膜，15为微波天线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，通过主体对称结构实现对加速度信号的双路检测并差分处理，可实现加速度信息的高灵敏度测量。

一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，包括主体对称结构、检测模块、NV色心敏感模块一4a和NV色心敏感模块二4b。所述主体对称结构包括磁源1、弹性梁2和对称基底3；所述检测模块包括左环形器5a和右环形器5b、左滤光片6a和右滤光片6b、数据处理器7、光电探测器8、分束器9、激光源10和微波源11；所述NV色心敏感模块包括光纤12、金刚石NV色心13、反射膜14、微波天线15。

其工作原理为，当外界加速度作用时，主体对称结构中弹性梁发生形变，将加速度量转换为磁源沿x轴，y轴或z轴的三轴位移变化量，进而影响NV色心敏感模块处的磁场，使得NV色心电子自旋能级发生变化，利用检测模块的激光和微波实现NV色心自旋的极化和操纵，并通过读取NV色心释放的双路荧光信号，解算磁场信息，实现三轴加速度的差分检测。

其中，主体对称结构将加速度作用量转换为磁源沿x轴，y轴或z轴的位移变化量，并固定NV色心敏感模块；NV色心敏感模块将磁源位移变化量转换为荧光变化量，并连接检测模块；检测模块将金刚石NV色心发出的荧光变化量转换为电学量，并通过差分处理补偿环境噪声。

结合图1，主体对称结构中对称基底为关于z轴对称的“凹”字型结构，且两侧突起部分垂直于z轴的表面分别设置NV色心敏感模块；弹性梁的一端固定在基底底部，另一端连接所述磁源，用于实现加速度作用下磁源发生位移变化；磁源为永磁体或通电线圈；弹性梁和磁源沿对称基底的对阵轴设置。

结合图2，NV色心敏感模块包括光纤，用于传输激光信号和荧光信号；光纤端部加工成光纤锥，用于增强金刚石NV色心和光纤的荧光耦合；反射膜固定在对称基底两侧凸起部分上表面，用于反射NV色心发出的荧光到光纤；金刚石NV色心固定在反射膜上表面中心位置，用于敏感磁场变化；微波天线紧邻金刚石NV色心，且固定在所述反射膜上表面。

金刚石NV色心为NV色心系综，沿z轴正方向的上半部分为半球形，下半部分可以是圆柱形，圆柱形上下表面圆的直径等于半球形下表面圆的直径，下半部分也可以是长方体，长方体上下表面为正方形且该正方形边长等于半球形下表面圆的直径；上半部分半球形结构为固态半球镜，通过蚀刻技术加工，用于克服金刚石NV色心结构中的全反射，提高NV色心发射荧光的光子收集效率；微波天线为Ω形天线，用于辐射合适频率微波与金刚石NV色心能级发生共振。

结合图1，检测模块中，激光源发出532nm激光并由分束器分成两束，分别进入环形器后输出至NV色心敏感模块实现对金刚石NV色心的自旋极化；微波源发出微波信号并通过微波天线作用到金刚石NV色心实现能级共振；金刚石NV色心发出荧光信号经反射片反射并通过光纤进入两环形器，分别由两滤光片滤除激光后到达光电探测器实现荧光信号检测，并输出至数据处理器实现差分去噪。

当加速度作用时，弹性梁形变将加速度转换为磁源的位移变化，使得NV色心敏感模块处的磁场发生变化；利用532nm激光使金刚石NV色心自旋极化，利用共振频率微波操纵金刚石NV色心能级翻转；通过检测模块读取NV色心释放的双路荧光信号，输入到数据处理器进行差分处理，解算磁场变化导致的NV色心能级分裂信息，进而实现加速度的差分检测。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例之一，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，其特征在于：包括主体对称结构，NV色心敏感模块和检测模块；

所述主体对称结构包括磁源（1）、弹性梁（2）和对称基底（3），所述磁源（1）设置在弹性梁（2）上端，所述弹性梁（2）底端固定在对称基底（3）底部的中间，实现加速度作用下磁源发生三轴位移变化，所述弹性梁（2）和磁源（1）沿对称基底的对阵轴设置；

所述NV色心敏感模块有2个且分别为NV色心敏感模块一（4a）和NV色心敏感模块二（4b），两个NV色心敏感模块分别固定在对称基底两侧突起部分且垂直于z轴的表面，当外界加速度作用时，对称结构中弹性梁（2）发生形变，将加速度量转换为磁源（1）沿x轴，y轴或z轴的三轴位移变化量，进而影响NV色心敏感模块处的磁场，使得NV色心电子自旋能级发生变化，利用检测模块的激光和微波实现NV色心自旋的极化和操纵，并通过读取NV色心释放的双路荧光信号，解算磁场信息，实现三轴加速度的差分检测；

所述NV色心敏感模块包括光纤（12）、金刚石NV色心（13）、反射膜（14）和微波天线（15）；所述光纤（12）设置在对应金刚石NV色心（13）上方，用于传输激光信号和荧光信号；所述反射膜（14）固定在所述对称基底（3）两侧凸起部分垂直于z轴的表面，用于反射金刚石NV色心（13）发出的荧光信号到所述光纤（12）；所述金刚石NV色心（13）固定在所述反射膜（14）上表面中心位置，用于敏感磁场变化；所述微波天线（15）紧邻金刚石NV色心（13），且固定在所述反射膜（14）表面，用于辐射微波；

所述检测模块包括环形器、滤光片、数据处理器（7）、光电探测器（8）、分束器（9）、激光源（10）和微波源（11），所述环形器有2个且分别为左环形器（5a）和右环形器（5b）,所述滤光片有2个且分别为左滤光片（6a）和右滤光片（6b）,所述左环形器（5a）和右环形器（5 b）与光电探测器（8）相连，所述左环形器（5a）与左滤光片（6a）相连，所述右环形器（5b）与右滤光片（6b）相连，所述光电探测器（8）与数据处理器（7）相连，所述微波源（11）与NV色心敏感模块一（4a）和NV色心敏感模块二（4b）相连，所述微波源发出微波信号并通过所述微波天线作用到金刚石NV色心实现能级共振，所述激光源（10）与分束器（9）相连，所述分束器（9）与左环形器（5a）和右环形器（5b）相连；

所述主体对称结构将加速度作用量转换为磁源沿x轴，y轴或z轴的位移变化量，并固定所述NV色心敏感模块；所述NV色心敏感模块将磁源位移变化量转换为荧光变化，并连接所述检测模块；所述检测模块将金刚石NV色心所受磁场转换为电学量，并通过差分处理补偿环境噪声。

2.根据权利要求1所述的一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，其特征在于：所述主体对称结构中对称基底（3）为关于z轴对称的“凹”字型结构，且两侧突起部分垂直于z轴的表面分别设置所述NV色心敏感模块。

3.据权利要求1所述的一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，其特征在于：所述金刚石NV色心（13）为NV色心系综，且沿z轴正方向的金刚石表面通过蚀刻技术加工为固态半球镜结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于NV色心固态自旋的差分式加速度敏感装置，其特征在于：所述检测模块的激光源发出532nm激光。

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