CN114034674B - 基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及量子精密测量探头技术领域，方案为一种基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，该方法能够实现光纤与单科微米级金刚石颗粒的充分连接，并提高了荧光的反射效率，便于后续荧光的高效收集，相比于现有技术，本方案可以实现单颗微米级金刚石与光纤的熔接，且熔接工艺过程简单易实现，本方案还能够对含有金刚石颗粒的微球腔进行塑形处理，使得荧光的反射面趋向为旋转抛物线面，荧光反射而出的光路与光纤延伸方向趋于平行，减少了荧光折射的损耗，进而使得后续荧光收集更高效，本方案还在微球腔外侧表面设计了镀银层，通过其能够减少荧光透射的损失，从而进一步提高荧光的后续收集。
Description
技术领域
本发明涉及量子精密测量探头技术领域，具体涉及到一种基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺。
背景技术
金刚石晶体中普遍存在着各种晶格缺陷，其中由杂质氮引起的氮空位(nitrogenvacancy简称NV)色心缺陷在室温下具有稳定的光学特性、电子自旋特性以及理想的固态量子比特等性质，被广泛应用于量子存储、量子信息处理、生物荧光标记以及超分辨成像等方面。金刚石NV色心具有稳定的能级结构和优越的发光特性，能被激光和微波操控，可实现高灵敏度物理量探测。关于金刚石NV色心的研究和应用大部分是基于NV色心的荧光探测，因此研究NV色心的荧光机制，提高其收集效率具有重要意义。由于NV色心与电磁场耦合强度较小，因此对NV色心的荧光收集效率一直较低，为提高金刚石NV色心的荧光收集效率，传统的如采用等离子体增强的方式对NV色心荧光信号进行增强或对金刚石进行加工使其产生一些特殊的结构等方法，这些方法的实现所需的实验操作非常复杂，实验要求非常高且加工品质不易保证，不利于推广。也有一些研究利用多个光电探测器从多个方向对NV色心的荧光进行收集，但这使得整个金刚石NV色心荧光激发采集系统过于庞大限制了其在小型灵敏传感器上的应用。
专利CN201910161883.7公开了一种提高金刚石NV色心荧光收集效率的方法，该发明通过将纳米金刚石与光学微腔耦合，制备工艺要求低，具有成本低、模式体积小及能量密度高等特点，实现了金刚石NV色心荧光的激发与高效收集，有望实现基于NV色心的高灵敏度量子传感器的集成化应用。但是上述技术中的反光源为附着在玻璃管内壁上的纳米金刚石颗粒群，相比于单颗微米级金刚石，不仅前期工艺复杂，由于其各个金刚石颗粒晶向不一致，导致荧光收集效率较差，而单颗微米级金刚石的晶向统一，从而荧光收集效率高，现有技术缺乏对单颗微米级金刚石与光纤熔接的工艺。
专利CN201110061907.5公开了一种单NV色心封装方法和一种单NV色心装置，该方法包括：a)固定两根光纤，两根光纤的端面相对，1#光纤连接激光器，传输激发光，2#光纤连接光谱仪；b)将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在两根光纤的端面之间，待溶剂蒸发后观察光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，有，进入c)，否，进入e)；c)将2#光纤连接至TAC，测反关联函数，判断是否为单NV色心，是，进入d)，否，进入e)；d)连接两根光纤的端面，完成封装；e)清洗掉两根光纤端面之间的单晶金刚石颗粒，重复b)。本发明简化了单NV色心的寻找和定位过程，节约了寻找和定位单NV色心的成本，方便了对于单NV色心的研究和应用。上述技术同样公布了光纤与金刚石颗粒通过熔接链接，但是其仍然是使用含有金刚石颗粒的悬浮液进行加工，该步骤对于加工的要求较高，且还需要不断测试荧光的接收情况才能进行下一步的操作，生产过程繁琐。
因此，本发明设计了基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，以解决上述问题。
发明内容
为弥补现有技术的不足，本发明提出的一种基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺。以解决上述背景技术中提出的纳米金刚石颗粒群相比于单颗微米级金刚石前期工艺复杂，以及使用含有金刚石颗粒的悬浮液进行加工，该步骤对于加工的要求较高的问题。
为实现上述目的，一种基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，包含有以下步骤：
S1、将单粒固态敏感单元设置于一空心透明管内侧中部；
S2、选取两根光波导，使其分别从空心透明管的两端插入后抵靠固态敏感单元的两边；
S3、通过熔接设备对空心透明管上靠近固态敏感单元的位置进行加热，使得光波导与固态敏感单元的相接处熔融相连成为一体，同时空心透明管受热收缩，在其中部形成一个内含固态敏感单元与光波导融合物的微球腔；
S4、通过切割设备将空心透明管靠近微球腔一侧的位置平整切断，将切断面置于熔接设备中继续烧熔，再通过塑形技术使得熔融状的切断面形成旋转抛物线面；
S5、冷却后，经过收尾处理后即可得到所需的量子精密测量探头。
优选的，所述的固态敏感单元为含有系综NV色心的微米级金刚石颗粒，所述微米级金刚石颗粒为圆柱状或不规则球状。
优选的，所述光波导为光纤，光纤的直径不大于空心透明管的内直径。
优选的，所述空心透明管采用毛细套管，所述毛细套管的内直径大于金刚石颗粒的尺寸。
优选的，步骤S3中，烧熔温度为280～330℃。
优选的，步骤S3中，烧熔时，在两侧光波导的外端施加一定推力，使得其熔融部分与固态敏感单元接触充分。
优选的，步骤S4中，所述的塑形技术是通过气吹塑形，采用上下两组相对的氮气喷嘴，所述微球腔置于两组氮气喷嘴中间位置。
优选的，步骤S4中，所述的塑形技术是采用模具进行塑形，所述模具上的模槽为旋转抛物线面，使用时，通过驱动设备使得熔融状态的微球腔沿着旋转抛物线面的中心轴轴移动，直至固态敏感单元靠近焦点，此时熔融状态的微球腔挤压模槽，通过挤压作用，微球腔靠近切断面的一侧成为旋转抛物线面。
优选的，步骤S5中所述的收尾处理包括在微球腔的外表面镀银层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明相比于现有技术，本方案可以实现单颗微米级金刚石与光纤的熔接，且熔接工艺过程简单易实现。
2、本发明中能够对含有金刚石颗粒的微球腔进行塑形处理，使得荧光的反射面趋向为旋转抛物线面，荧光反射而出的光路与光纤延伸方向趋于平行，减少了荧光折射的损耗，进而使得后续荧光收集更高效。
3、本发明在微球腔外侧表面设计了镀银层，通过其能够减少荧光透射的损失，从而进一步提高荧光的后续收集。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为本发明实施例提供的光纤、金刚石以及空心透明管的放置方式的示意图；
图3为本发明实施例提供的光纤、金刚石以及空心透明管三者烧熔的示意图；
图4为本发明实施例提供的气吹旋转抛物线面的示意图；
图5为本发明提供的模具塑形旋转抛物线面的示意图；
图6为金刚石颗粒在旋转抛物线面焦点发射荧光的光路反射图。
图中：1、金刚石颗粒；2、光纤；3、毛细套管；4、微球腔；5、氮气喷嘴；6、模具。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
实施例一
请参阅图1-6，基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，包含有以下步骤：
S1、将单粒固态敏感单元设置于一空心透明管内侧中部，优选固态敏感单元为含有系综NV色心的直径为90um的圆柱状的金刚石颗粒1，该圆柱状的金刚石颗粒1的[100]晶向与其轴向一致，在安装时，使得圆柱状的金刚石颗粒1沿其轴向塞入空心透明管中，空心透明管采用使用石英材质的毛细套管3，内直径为125um；
S2、选取两根光波导，使其分别从空心透明管的两端插入后抵靠固态敏感单元的两边，优选光波导为直径为120um的光纤2；
S3、通过熔接设备对空心透明管上靠近固态敏感单元的位置进行加热，熔接设备可以采用光纤熔接机，加热温度为300℃，该温度使得光纤2和石英毛细套管3呈熔融状态，金刚石则不受影响，加热使得光波导与固态敏感单元的相接处熔融相连成为一体，同时空心透明管受热收缩，在其中部形成一个内含固态敏感单元与光波导融合物的微球腔4，优选的是，在光波导熔融过程中，在两侧光波导的外端施加一定的推力，该推力使得其熔融部分与固态敏感单元接触充分；
S4、通过切割设备将空心透明管靠近微球腔4一侧的位置平整切断，将切断面置于熔接设备中继续烧熔，再通过塑形技术使得熔融状的切断面形成旋转抛物线面；
S5、冷却后，经过收尾处理后即可得到所需的量子精密测量探头，优选的收尾技术是，在微球腔4的外表面镀上一层银膜，以减少荧光从微球腔4内侧向外侧穿透造成的损失。
相比于现有技术，本方案可以实现单颗微米级金刚石与光纤2的熔接，且熔接工艺过程简单易实现。
实施例二
基于实施例一，本实施例具体介绍一种熔融微球腔4的塑形技术：
进一步的，步骤S4中，所述的塑形技术是通过气吹塑形，如附图4所示，采用上下两组相对的氮气喷嘴5，将空心透明管的微球腔4置于两组氮气喷嘴5中间位置，控制两组氮气喷嘴5同时朝着微球腔4吹氮气，与此同时通过旋转设备使得微球腔4相对两组氮气喷嘴5转动，在转动过程中，氮气对熔融状微球腔4面进行全角度吹起塑形，使其靠近切断面的一侧成为旋转抛物线面，吹气过程中，氮气由小到大渐进增加。
通过上述技术，可以使得熔融微球腔4的整体外形趋于旋转抛物线面，而对于旋转抛物线面的优点，见附图6，本领域技术人员熟知的是，从焦点发出的光线与旋转抛物线面接触反射后的光路总是与旋转抛物线面的中心轴线平行，基于上述认知，本方案通过塑形微球腔4趋于旋转抛物线面，使得金刚石颗粒1位置趋于焦点处，而焦点处金刚石发射的荧光经过微光腔碰撞后的光路与光纤2延伸方向近似平行，从而使得反射荧光与光纤2壁之间的入射角较大，从而减少了反射荧光的折射损失，提高了荧光的收集效率。
实施例三
基于实施例一，本实施例具体介绍另外一种熔融微球腔4的塑形技术：
进一步的，步骤S4中，所述的塑形技术是采用模具6进行塑形，如附图5所示，所述模具6上的模槽为旋转抛物线面，使用时，通过驱动设备使得熔融状态的微球腔4沿着旋转抛物线面的对称轴移动，直至固态敏感单元靠近焦点，此时熔融状态的微球腔4挤压模槽，通过挤压作用，微球腔4靠近切断面的一侧成为旋转抛物线面。
与实施例二相比，本实施例另外提供了一种对熔融微球腔4进行塑形的方式，即通过内设旋转抛物线面凹槽的模具6，利用挤压方式，使得熔融微球腔4塑形成为旋转抛物线面，相比于实施例二，其塑形过程更加简单，且塑形更加准确，同时，也便于使得金刚石颗粒1移动中旋转抛物线面的焦点位置，提高荧光反射的平行性，获得更高的荧光收集效率。
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。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，其特征在于，包含有以下步骤：
S1、将单粒固态敏感单元设置于一空心透明管内侧中部；
S2、选取两根光波导，使其分别从空心透明管的两端插入后抵靠固态敏感单元的两边；
S3、通过熔接设备对空心透明管上靠近固态敏感单元的位置进行加热，使得光波导与固态敏感单元的相接处熔融相连成为一体，同时空心透明管受热收缩，在其中部形成一个内含固态敏感单元与光波导融合物的微球腔；
其中，所述的固态敏感单元为含有系综NV色心的微米级金刚石颗粒，所述微米级金刚石颗粒为圆柱状或不规则球状；
S4、通过切割设备将空心透明管靠近微球腔一侧的位置平整切断，将切断面置于熔接设备中继续烧熔，再通过塑形技术使得熔融状的切断面形成旋转抛物线面；
S5、冷却后，经过收尾处理后即可得到所需的量子精密测量探头。
2.根据权利要求1所述的基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，其特征在于：所述光波导为光纤，光纤的直径不大于空心透明管的内直径。
3.根据权利要求1所述的基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，其特征在于：所述空心透明管采用毛细套管，所述毛细套管的内直径大于金刚石颗粒的尺寸。
4.根据权利要求1所述的基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，其特征在于，步骤S3中，烧熔温度为280～330℃。
5.根据权利要求1所述的基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，其特征在于，步骤S3中，烧熔时，在两侧光波导的外端施加一定推力，使得其熔融部分与固态敏感单元接触充分。
6.根据权利要求1所述的基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，其特征在于，步骤S4中，所述的塑形技术是通过气吹塑形，采用上下两组相对的氮气喷嘴，所述微球腔置于两组氮气喷嘴中间位置。
7.根据权利要求1所述的基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，其特征在于，步骤S4中，所述的塑形技术是采用模具进行塑形，所述模具上的模槽为旋转抛物线面，使用时，通过驱动设备使得熔融状态的微球腔沿着旋转抛物线面的中心轴轴移动，直至固态敏感单元靠近焦点，此时熔融状态的微球腔挤压模槽，通过挤压作用，微球腔靠近切断面的一侧成为旋转抛物线面。
8.根据权利要求1所述的基于烧熔技术的量子精密测量探头的加工工艺，其特征在于，步骤S5中所述的收尾处理包括在微球腔的外表面镀银层。
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