CN113933906B - 金刚石nv色心磁力探测模块及磁力探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金刚石NV色心磁力探测模块及磁力探测系统。该金刚石NV色心磁力探测模块包括：连接有光纤的金刚石NV色心系综薄片、分别设置在金刚石NV色心系综薄片上下表面的磁通量聚集模块以及微波天线模块；金刚石NV色心系综薄片的侧面设有凹槽，光纤设于凹槽内；在金刚石NV色心系综薄片的表面溅射有镜面全反射镀层、且镜面全反射镀层避开凹槽；微波天线模块至少设置两个，分别设于金刚石NV色心系综薄片与磁通量聚集模块之间，微波天线模块用于与微波源连接；其中，金刚石NV色心系综薄片在激光和微波源的激发下产生的荧光，经过镜面全反射镀层从光纤中射出。本发明提供的磁力探测系统体积较小，方便携带，且探测灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及磁力计技术领域，尤其涉及一种金刚石NV色心磁力探测模块及磁力探测系统。
背景技术
高灵敏度的磁力探测系统已经被广泛应用于众多科研领域，从生物医药到地球物理，都离不开磁力探测系统。
目前常用的磁力探测系统主要有超导量子干涉仪磁力系统、光泵原子气室磁力系统等。光泵原子气室磁力系统虽然灵敏度较高，但是空间分辨率非常低，且其探头很难集成。超导量子干涉仪磁力系统的工作环境苛刻，需要一整套庞大的低温制冷装置才能工作，维护成本较高。
金刚石NV色心具有可以在室温工作、且耐高温、耐腐蚀及耐辐照等特性已引起了科研人员的关注。但是现有的基于金刚石NV色心的磁力探测系统的体积较大携带不方便，无法满足当前测试的需求。因此，亟需一种便于携带体积较小的金刚石NV色心磁力探测系统。
发明内容
本发明实施例提供了一种金刚石NV色心磁力探测模块及磁力探测系统，以解决目前金刚石NV色心磁力探测系统体积较大携带不方便的问题。
第一方面，本发明实施例提供了金刚石NV色心磁力探测模块，包括：连接有光纤的金刚石NV色心系综薄片、分别设置在金刚石NV色心系综薄片上下表面的磁通量聚集模块以及微波天线模块；
金刚石NV色心系综薄片的侧面设有凹槽，光纤设于凹槽内；在金刚石NV色心系综薄片的表面溅射有镜面全反射镀层、且镜面全反射镀层避开凹槽；
微波天线模块至少设置两个，分别设于金刚石NV色心系综薄片与磁通量聚集模块之间，微波天线模块用于与微波源连接；
其中，金刚石NV色心系综薄片在激光和微波源的激发下产生的荧光，经过镜面全反射镀层从光纤中射出。
本发明实施例提供的金刚石NV色心磁力探测模块，通过在金刚石NV色心系综薄片上集成光纤，激发的荧光可导入到光纤中，可以提高荧光的收集效率。通过在金刚石NV色心系综薄片的表面溅射镜面全反射镀层，可使其余方向散射的荧光全部进入到光纤中。由于磁通量聚集模块具有放大的作用，因此在金刚石NV色心系综薄片的上下表面设置磁通量聚集模块，可提高磁力探测模块的探测灵敏度。
在一种可能的实现方式中，NV色心系综薄片为片状金刚石，厚度为20μm～200μm，薄片表面尺寸为毫米级，每个面的表面粗糙度为0.1nm-10nm、色心浓度为0.001ppm-200ppm。
可选的，金刚石NV色心系综薄片为圆形的片状金刚石，直径为0.5mm-5mm。
在一种可能的实现方式中，磁通量聚集模块为圆台型，且底圆直径为1-3cm，顶圆的直径为0.5mm-5mm，磁通量聚集模块的截面由金刚石NV色心系综薄片向外逐渐增大。
在一种可能的实现方式中，光纤的尺寸小于或者等于金刚石NV色心系综薄片的厚度。
可选的，凹槽的尺寸与光纤的内径相匹配。
可选的，光纤的内径为20μm～200μm。
在一种可能的实现方式中，镜面全反射镀层的厚度为50nm～2000nm。
第二方面，本发明实施例提供了一种金刚石NV色心磁力探测系统，包括：上述磁力探测模块，以及激光入射模块和荧光收集模块；
激光入射模块包括激光器、第一声光调制器、分束镜、反射镜片和第二声光调制器；
荧光收集模块包括与磁力探测模块的光纤的一端顺次连接的光纤准直器、双色镜片、滤光片、聚焦透镜和第一光电探测器；
其中，激光器发射的激光经反射镜片反射至双色镜片、经双色镜片反射至光纤准直器、从光纤准直器经光纤入射至NV色心系综薄片内；NV色心系综薄片被激光激发的荧光从光纤射出、透过双色镜片发射到第一光电探测器。
在一种可能的实现方式中，激光入射模块还包括激光反馈调节模块，用于调节入射激光的强度；其中，激光反馈调节模块包括第二光电探测器和稳定激光功率的控制器，入射激光通过分束镜将部分入射激光发射到控制器，控制器连接第一声光调制器，调节激光器的发射功率。
本发明实施例提供一种金刚石NV色心磁力探测系统，通过将体积小且灵敏度高的金刚石NV色心磁力探测模块与激光入射模块和荧光收集模块集成，组成了磁力探测系统。该磁力探测系统体积较小，方便携带，且探测灵敏度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的金刚石NV色心系综薄片的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种金刚石NV色心磁力探测系统的结构示意图。
图中，11-金刚石NV色心系综薄片，12-光纤，13-微波天线，14-镜面全反射镀层，21-双色镜片，22-滤光片，23-聚焦透镜，31-反射镜片。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，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，都应当属于本方案保护的范围。
本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
如背景技术所描述的，目前常用的磁力探测系统对环境要求苛刻，探头较难集成、且体积较大携带不方便，无法满足当前测试的需求。因此亟需一种便于携带体积较小的金刚石NV色心磁力探测系统。
为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种金刚石NV色心磁力探测模块及磁力探测系统。下面首先对本发明实施例所提供的金刚石NV色心磁力探测模块进行介绍。
该金刚石NV色心磁力探测模块包括：连接有光纤的金刚石NV色心系综薄片、分别设置在金刚石NV色心系综薄片上下表面的磁通量聚集模块以及微波天线模块。
其中，上述金刚石NV色心系综薄片的侧面设有凹槽，光纤固定于凹槽内。且在金刚石NV色心系综薄片的表面溅射有镜面全反射镀层、且镜面全反射镀层避开上述凹槽。微波天线模块至少设置有两个，分别设于金刚石NV色心系综薄片与磁通量聚集模块之间，微波天线模块用于与微波源连接。金刚石NV色心系综薄片在激光和微波源的激发下产生的荧光，经过镜面全反射镀层从光纤中射出。
由于超薄金刚石NV色心系综薄片的荧光很难收集，荧光会从金刚石NV色心系综薄片的各个面上发射出去，而无法收集。因此，通过采用设置在金刚石NV色心系综薄片上下表面的磁通量聚集模块可以提高探测的灵敏度。在金刚石NV色心系综薄片的表面溅射镜面全反射镀层，可使其余方向散射的荧光全部进入到与金刚石NV色心系综薄片连接的光纤中，从而提高荧光的收集率，进一步提高探测灵敏度。本发明实施例提供的金刚石NV色心磁力探测模块在几厘米以内，体积相当，可以满足易于携带的需求。
一些实施例中，只有当两个磁通量聚集模块之间的距离很近时，才能使磁通量聚集模块具有上百倍的放大倍数，因此两个磁通量聚集模块之间的空间非常小。因此可将NV色心系综薄片设为片状金刚石，厚度为20μm～200μm，薄片表面尺寸为毫米级，每个面的表面粗糙度为0.1nm-10nm、色心浓度为0.001ppm-200ppm。
具体的，可以将金刚石NV色心系综薄片设为圆形的片状金刚石，直径为0.5mm-5mm。
具体的，可以采用激光切割器将金刚石NV色心系综薄片加工成带凹槽的圆形薄片。采用紫外固化胶将光纤固定在凹槽内。
一些实施例中，为了进一步提高磁通量聚集模块的磁力放大倍数，可将磁通量聚集模块设置为圆台型，且底圆直径为1-3cm，顶圆的直径为0.5mm-5mm，磁通量聚集模块的截面由金刚石NV色心系综薄片向外逐渐增大。
一些实施例中，由于金刚石NV色心系综薄片的荧光较难收集，因此可将光纤的尺寸设置为小于或者等于金刚石NV色心系综薄片的厚度，便于激发的荧光可以全部进入到光纤中。
具体的，凹槽的尺寸与光纤的内径相匹配，光纤的内径为20μm～200μm。
一些实施例中，为了减少荧光向外散射，可将镜面全反射镀层的厚度设为50nm～2000nm。其中，镜面全反射镀层可以为Au、Ag、Al、Hg、Cu、Pt、SiO2等具有全反射性能的薄膜。
以下给出几个具体的实施例：
实施例一、
金刚石NV色心系综薄片的色心浓度为1ppm，采用激光切割机将金刚石NV色心系综薄片加工成带凹槽的圆形，其中，圆形的金刚石NV色心系综薄片的直径1mm，厚度50μm，凹槽为50μm。采用紫外固化胶将50μm芯径的光纤固定在凹槽内。
在金刚石NV色心系综薄片的表面除凹槽外，均溅射镜面全反射镀层，镀层为200nm的Au层。
在圆形的金刚石NV色心系综薄片的上下表面粘贴海姆赫兹微波天线。在天线外侧固定磁通量聚集模块。其中，磁通量聚集模块为圆台型，大圆直径1.5cm，小圆直径1mm。一种金刚石NV色心磁力探测模块即制作完成。
实施例二、
金刚石NV色心系综薄片的色心浓度为0.1ppm，采用激光切割机将金刚石NV色心系综薄片加工成带凹槽的圆形，其中，圆形的金刚石NV色心系综薄片的直径1mm，厚度100μm，凹槽为50μm。采用紫外固化胶将50μm芯径的光纤固定在凹槽内。
在金刚石NV色心系综薄片的表面除凹槽外，均溅射镜面全反射镀层，镀层为300nm的Au层。
在圆形的金刚石NV色心系综薄片的上下表面粘贴海姆赫兹微波天线。在天线外侧固定磁通量聚集模块。其中，磁通量聚集模块为圆台型，大圆直径1.5cm，小圆直径1mm。一种金刚石NV色心磁力探测模块即制作完成。
本实施例制备的金刚石NV色心磁力探测模块在几个厘米内，体积相当，且灵敏度也高于现有的磁力探测模块。通过采用超薄片状金刚石NV色心系综薄片，结合光纤及镜面全反射镀层，可以提升超薄金刚石NV色心样品的激光激发和荧光收集效率，荧光收集效率可接近为100％，最后在金刚石NV色心系综薄片的上下侧分别集成磁通量聚集模块，可放大外界磁场的强度，从而进一步提供探测灵敏度。
本发明实施例还提供了一种金刚石NV色心磁力探测系统，包括：上述的磁力探测模块、激光激发模块和荧光检测模块。
其中，激光入射模块包括激光器、第一声光调制器、分束镜、反射镜片和第二声光调制器。荧光收集模块包括与磁力探测模块的光纤的一端顺次连接的光纤准直器、双色镜片、滤光片、聚焦透镜和第一光电探测器。具体的，激光器发射的激光经反射镜片反射至双色镜片、经双色镜片反射至光纤准直器、从光纤准直器经光纤入射至NV色心系综薄片内；NV色心系综薄片被激光激发的荧光从光纤射出、透过双色镜片发射到第一光电探测器。
具体的，声光调制器可用于控制激光开关实现控制脉冲激光。其中，激光器为532nm激光器。
其中，第一光电探测器用于探测金刚石NV色心系综薄片激发的荧光。第二光电探测器用于探测532nm的激光器发生的激光。
一些实施例中，为了能进一步提高磁力探测的灵敏度，激光入射模块还包括激光反馈调节模块，用于调节入射激光的强度。其中，激光反馈调节模块包括第二光电探测器和稳定激光功率的控制器，入射激光通过分束镜将部分入射激光发射到控制器，控制器连接第一声光调制器，调节激光器的发射功率。
具体的，用于稳定激光功率的控制器采用PID控制器。
具体的，如图2所示的一种金刚石NV色心磁力探测系统，包括：磁力探测模块、激光入射模块、荧光收集模块和激光反馈调节模块。
激光入射模块包括激光器、第一声光调制器AOM1、分束镜、反射镜片31和第二声光调制器AOM2。荧光收集模块包括与磁力探测模块的光纤12的一端顺次连接的光纤准直器、双色镜片21、滤光片22、聚焦透镜23和第一光电探测器。激光反馈调节模块包括第二光电探测器和稳定激光功率的控制器PID，入射激光通过分束镜将部分入射激光发射到控制器，控制器连接第一声光调制器，调节激光器的发射功率。将微波天线连接微波源。
激光器发射的激光经过激光反馈调节模块调节后，可通过探测激光功率的波动将信号传给PID控制器，PID控制器可以控制AOM1调节激光功率的波动。激光通过分束镜后，其中一部分激光发射到反射镜片31，经过反射镜片31的反射通过AOM2到达双色镜片21、经双色镜片21反射至光纤准直器、从光纤准直器经光纤12入射至NV色心系综薄片11内。金刚石NV色心系综薄片11在激光和电磁波的激发下，可产生荧光。激发的荧光从光纤12射出、透过双色镜片21、滤光片22和聚焦透镜23发射到第一光电探测器。
本实施例制备的金刚石NV色心磁力探测系统通过采用超薄片状金刚石NV色心系综薄片，结合光纤及镜面全反射镀层，可以提升超薄金刚石NV色心样品的激光激发和荧光收集效率，荧光收集效率可接近为100％，最后在金刚石NV色心系综薄片的上下侧分别集成磁通量聚集模块，可放大外界磁场的强度。并且结合外部的激光入射模块、荧光收集模块和激光反馈调节模块，实现高灵敏度的金刚石NV色心磁力探测系统。所制备的磁力探测系统与超导体系相比不需要低温，与光泵磁强计相比，整个磁力探头模块在几个厘米以内，体积相当，灵敏度高于目前使用的光泵技术，具有非常高的实用性。
以上面的两个实施例中的磁力探测模块组成磁力探测系统为：
实施例三、
金刚石NV色心系综薄片的色心浓度为1ppm，采用激光切割机将金刚石NV色心系综薄片加工成带凹槽的圆形，其中，圆形的金刚石NV色心系综薄片的直径1mm，厚度50μm，凹槽为50μm。采用紫外固化胶将50μm芯径的光纤固定在凹槽内。在金刚石NV色心系综薄片的表面除凹槽外，均溅射镜面全反射镀层，镀层为200nm的Au层。在圆形的金刚石NV色心系综薄片的上下表面粘贴海姆赫兹微波天线。在天线外侧固定磁通量聚集模块。其中，磁通量聚集模块为圆台型，大圆直径1.5cm，小圆直径1mm。一种金刚石NV色心磁力探测模块即制作完成。
然后将制作完成的磁力探测模块的光纤与荧光收集模块的光纤准直器、双色镜片、滤光片、聚焦透镜和第一光电探测器顺次连接。并且组装激光入射模块和激光反馈调节模块，其中，激光入射模块包括激光器、第一声光调制器、分束镜、反射镜片和第二声光调制器。激光反馈调节模块包括第二光电探测器和稳定激光功率的控制器。即可实现一套完整的磁力探测系统的组装。
实施例四、
金刚石NV色心系综薄片的色心浓度为0.1ppm，采用激光切割机将金刚石NV色心系综薄片加工成带凹槽的圆形，其中，圆形的金刚石NV色心系综薄片的直径1mm，厚度100μm，凹槽为50μm。采用紫外固化胶将50μm芯径的光纤固定在凹槽内。在金刚石NV色心系综薄片的表面除凹槽外，均溅射镜面全反射镀层，镀层为300nm的Au层。在圆形的金刚石NV色心系综薄片的上下表面粘贴海姆赫兹微波天线。在天线外侧固定磁通量聚集模块。其中，磁通量聚集模块为圆台型，大圆直径1.5cm，小圆直径1mm。一种金刚石NV色心磁力探测模块即制作完成。
然后将制作完成的磁力探测模块的光纤与荧光收集模块的光纤准直器、双色镜片、滤光片、聚焦透镜和第一光电探测器顺次连接。并且组装激光入射模块和激光反馈调节模块，其中，激光入射模块包括激光器、第一声光调制器、分束镜、反射镜片和第二声光调制器。激光反馈调节模块包括第二光电探测器和稳定激光功率的控制器。即可实现一套完整的磁力探测系统的组装。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种金刚石NV色心磁力探测模块，其特征在于，包括：连接有光纤的金刚石NV色心系综薄片、微波天线模块、以及设置在所述金刚石NV色心系综薄片上下表面的磁通量聚集模块；
所述金刚石NV色心系综薄片的侧面设有凹槽，所述光纤设于所述凹槽内；在所述金刚石NV色心系综薄片的表面溅射有镜面全反射镀层、且所述镜面全反射镀层避开所述凹槽；
所述微波天线模块至少设置两个，分别设于所述金刚石NV色心系综薄片与所述磁通量聚集模块之间，所述微波天线模块用于与微波源连接；
所述NV色心系综薄片为圆形的片状金刚石，厚度为20μm~200μm，薄片表面尺寸为毫米级，每个面的表面粗糙度为0.1nm-10nm、色心浓度为0.001ppm-200ppm，直径为0.5mm-5mm；
其中，所述金刚石NV色心系综薄片在激光和微波源的激发下产生的荧光，经过所述镜面全反射镀层从所述光纤中射出。
2.如权利要求1所述的金刚石NV色心磁力探测模块，其特征在于，所述磁通量聚集模块为圆台型，且底圆直径为1-3cm，顶圆的直径为0.5mm-5mm，所述磁通量聚集模块的截面由所述金刚石NV色心系综薄片向外逐渐增大。
3.如权利要求1所述的金刚石NV色心磁力探测模块，其特征在于，所述光纤的尺寸小于或者等于所述金刚石NV色心系综薄片的厚度。
4.如权利要求3所述的金刚石NV色心磁力探测模块，其特征在于，所述凹槽的尺寸与所述光纤的内径相匹配。
5.如权利要求3所述的金刚石NV色心磁力探测模块，其特征在于，所述光纤的内径为20μm~200μm。
6.如权利要求1所述的金刚石NV色心磁力探测模块，其特征在于，所述镜面全反射镀层的厚度为50nm~2000nm。
7.一种金刚石NV色心磁力探测系统，其特征在于，包括：权利要求1至6任一项所述的磁力探测模块，以及激光入射模块和荧光收集模块；
所述激光入射模块包括激光器、第一声光调制器、分束镜、反射镜片和第二声光调制器；
所述荧光收集模块包括与所述磁力探测模块的光纤的一端顺次连接的光纤准直器、双色镜片、滤光片、聚焦透镜和第一光电探测器；
其中，所述激光器发射的激光经所述反射镜片反射至所述双色镜片、经所述双色镜片反射至所述光纤准直器、从所述光纤准直器经所述光纤入射至所述NV色心系综薄片内；所述NV色心系综薄片被激光激发的荧光从所述光纤射出、透过所述双色镜片发射到所述第一光电探测器。
8.如权利要求7所述的金刚石NV色心磁力探测系统，其特征在于，所述激光入射模块还包括激光反馈调节模块，用于调节入射激光的强度；其中，所述激光反馈调节模块包括第二光电探测器和稳定激光功率的控制器，入射激光通过分束镜将部分入射激光发射到控制器，控制器连接第一声光调制器，调节激光器的发射功率。
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