CN114047555B - 基于金刚石nv色心的磁力探测头及磁力探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于金刚石NV色心的磁力探测头及磁力探测系统。该基于金刚石NV色心的磁力探测头包括：具有两端开口的陶瓷套管、设置在陶瓷套管的腔体内的金刚石NV色心系综样品以及设置在陶瓷套管一端面上的微波天线；金刚石NV色心系综样品为毫米级的块状结构，其朝向微波天线的第一端面上设有用于接收激光入射的凹坑；微波天线设有中心通孔、且中心通孔与金刚石NV色心系综样品的凹坑同轴设置，微波天线用于连接微波源并向陶瓷套管的腔体发射微波；其中，金刚石NV色心系综样品在微波源和激光的激发下，在陶瓷套管的腔体内产生荧光。本发明提供的基于金刚石NV色心的磁力探测头灵敏度更高，且适用范围更广。

Description

基于金刚石NV色心的磁力探测头及磁力探测系统

技术领域

本发明涉及磁力计技术领域，尤其涉及一种基于金刚石NV色心的磁力探 测头及磁力探测系统。

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 灵敏度较低，无法满足当前测试的需求。亟需一种高灵敏度的磁力探测系统。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于金刚石NV色心的磁力探测头及磁力探测系 统，以解决目前磁力探测系统灵敏度低的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于金刚石NV色心的磁力探测头， 包括：具有两端开口的陶瓷套管、设置在陶瓷套管的腔体内的金刚石NV色心 系综样品以及设置在陶瓷套管一端面上的微波天线；

金刚石NV色心系综样品为毫米级的块状结构，其朝向微波天线的第一端 面上设有用于接收激光入射的凹坑；

微波天线设有中心通孔、且中心通孔与金刚石NV色心系综样品的凹坑同 轴设置，微波天线用于连接微波源并向陶瓷套管的腔体发射微波；

其中，金刚石NV色心系综样品在微波源和激光的激发下，在陶瓷套管的 腔体内产生荧光。

本发明实施例提供的磁力探测头，通过采用mm³级别大块金刚石NV色心 系综立方体，使用3D结构的微波介质陶瓷套管与微波天线集成，制备成了大 尺寸3D均匀微波场，提升了块体金刚石的微波操纵效率。

在一种可能的实现方式中，陶瓷套管的腔体内壁均溅射有镜面全反射镀层， 且在金刚石NV色心系综样品的第一端面溅射有镜面全反射镀层；其中，镜面 全反射镀层在第一端面上避开凹坑。

在一种可能的实现方式中，所述金刚石NV色心系综样品与第一端面相对 的第二端面设有光纤，金刚石NV色心系综样品的外表面溅射有镜面全反射镀 层，其中，全反射镀层避开凹坑以及光纤与金刚石NV色心系综样品的连接部。

在一种可能的实现方式中，金刚石NV色心系综样品横截面的大小和/或形 状与陶瓷套管横截面的大小相适配；

其中，金刚石NV色心系综样品为长、宽和高尺寸在1mm-10mm的长方体， 或直径为1mm-10mm的圆柱体；金刚石NV色心系综样品的表面粗糙度为 0.1nm-10nm，色心浓度为0.001ppm-200ppm。

在一种可能的实现方式中，在陶瓷套管的腔体内还设有用于反射荧光的反 射镜片，反射镜片定位在金刚石NV色心系综样品的第一端面与微波天线之间、 且在中部设有用于入射激光通过的第一通孔。

在一种可能的实现方式中，陶瓷套管由钙钛矿材料或改性铅基钙钛矿材料 烧制而成。

在一种可能的实现方式中，光纤内径的尺寸范围为50μm～1500μm。

在一种可能的实现方式中，微波天线为贴片天线、海姆赫兹天线、互感贴 片天线、铜圈中的任意一种，且微波天线的中心通孔的尺寸为100μm～2mm。

第二方面，本发明实施例提供了一种基于金刚石NV色心的磁力探测系统， 包括：上述磁力探测头、激光激发模块和荧光检测模块；其中：

激光激发模块包括激光器、用于稳定激光功率的控制器、声光调制器和聚 焦透镜，激光激发模块发射的激光经聚焦透镜和微波天线的中心通孔、从金刚 石NV色心系综样品的凹坑入射；

荧光检测模块，包括与磁力探测头的激光出射端顺次连接的滤光片、聚焦 透镜和光电探测器。

在一种可能的实现方式中，声光调制器内使用脉冲磁力探测协议控制激光 器的开断。

在一种可能的实现方式中，沿陶瓷套管轴向、在陶瓷套管相对两侧分别设 有聚磁模块。

本发明实施例提供一种基于金刚石NV色心的磁力探测系统，通过将高灵 敏度的磁力探测头与激光激发模块和荧光检测模块集成，组成了磁力探测系统。 该系统对环境要求不苛刻，具有良好的固态稳定性，且可实现极高的空间分辨 率，制作相对简单，维护成本较低，可以在室温下工作，适用范围较广。

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一种基于金刚石NV色心的磁力探测头的剖面 结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种基于金刚石NV色心的磁力探测头的剖 面结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种微波天线的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种基于金刚石NV色心的磁力探测头的结构 示意图；

图5是本发明实施例提供的另一种基于金刚石NV色心的磁力探测头的结 构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种基于金刚石NV色心的磁力探测系统的示 意图；

图7是本发明实施例提供的另一种基于金刚石NV色心的磁力探测系统的 示意图。

图中，11-陶瓷套管，12-金刚石NV色心系综样品，13-微波天线，14-凹坑， 15-反射镜片，16-中心通孔，17-第一通孔，18-光纤，21-准直器，22-滤光片， 23-第二聚焦透镜，24-遮光套筒，31-第一聚焦透镜。

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。而金刚石NV色心是一个具有各种优良性质的固态单自旋量子的体系， 与传统材料相比，金刚石具有室温工作，稳定、耐高温、耐腐蚀、耐辐照等特 性，可适应各种极端环境，因而也被引起关注。

但是，目前的基于金刚石NV色心的磁力探测系统的灵敏度较低，无法满 足当前测试的需求。因此亟需一种高灵敏度的磁力探测系统。

为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种基于金刚石NV色心的 磁力探测头及磁力探测系统。下面首先对本发明实施例所提供的基于金刚石NV 色心的磁力探测头进行介绍。

该基于金刚石NV色心的磁力探测头，包括：具有两端开口的陶瓷套管、 设置在陶瓷套管的腔体内的NV色心系综样品以及设置在陶瓷套管一端面上的 微波天线。

其中，上述NV色心系综样品为块状结构，其朝向微波天线的第一端面上 设有用于接收激光入射的凹坑。上述微波天线设有中心通孔、且中心通孔与NV 色心系综样品的凹坑同轴设置，微波天线用于连接微波源并向陶瓷套管的腔体发射微波，其中，金刚石NV色心系综样品在微波源和激光的激发下，在陶瓷 套管的腔体内产生荧光。

具体的，可将块状结构的NV色心系综样品放置在陶瓷套管的腔体的中间 位置。

一些实施例中，为了提高荧光的收集效率，可将陶瓷套管的腔体内壁上均 溅射有镜面全反射镀层，且在金刚石NV色心系综样品的第一端面溅射有镜面 全反射镀层，其中，镜面全反射镀层在第一端面上避开凹坑。通过溅射镜面全 反射镀层，有利于收集荧光，进一步提高探测灵敏度。激发的荧光通过溅射有 镜面全反射镀层的陶瓷套管可全部收集到测量模块。且在第一端面溅射有镜面 全反射镀层，可更进一步的提供荧光的收集率。具体的，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。

一些实施例中，为了提高荧光的收集效率，可在金刚石NV色心系综样品 与第一端面相对的第二端面上连接光纤。荧光通过光纤进入到测试荧光的仪器 内。为了进一步提高磁力探测头的灵敏度，可在金刚石NV色心系综样品的外 表面溅射镜面全反射镀层，其中，全反射镀层避开凹坑以及光纤与金刚石NV 色心系综样品的连接部。通过溅射镜面全反射镀层，有利于收集荧光，进一步 提高探测灵敏度。具体的，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，厚度在50nm～2000nm。具体的，光纤内径的尺寸范围为50μm～1500μm。荧光可以进入光纤，从而易于后续的测试。光纤可 以采用紫外固化胶或高温胶与金刚石NV色心系综样品粘接。

一些实施例中，NV色心系综样品横截面的大小或形状与陶瓷套管横截面 的大小或形状相适配。即可将NV色心系综样品放置在陶瓷套管内部即可，可 以根据不同的应用场景设计不同的大小。本发明中采用大块的NV色心系综样 品，可以增加金刚石样品的总体NV色心的数量，在相同条件下能够提供更多的荧光。具体的，NV色心系综样品可以为长、宽和高尺寸在1mm-10mm的长 方体，或直径为1mm-10mm的圆柱体。当然，也可以根据需求即使用场合，制 作成其他形状，此处不做限定，也不再赘述。

一些实施例中，NV色心系综样品的表面粗糙度为0.1nm-10nm，色心浓度 为0.001ppm-200ppm。

一些实施例中，NV色心系综样品的凹坑的孔径可以为20μm～200μm。

具体的，陶瓷套管为圆柱体，NV色心系综样品的横截面与腔体横截面形 状适配。

详见图1-图2，图1示出了一种陶瓷套管11为圆柱体结构，NV色心系综 样品12也为圆柱结构的磁力探测头的剖面结构示意图，其中位于陶瓷套管一端 面上的微波天线13，NV色心系综样品12的第一端面上设有用于接收激光入射 的凹坑14。

图2示出了一种陶瓷套管11为圆柱体结构，NV色心系综样品12为长方 体结构的磁力探测头的剖面结构示意图。需要说明的是在图2中未示出微波天 线13和凹坑14。

如可将陶瓷套管制作成圆柱体，其中，大圆环的半径为1～30mm，内圆环 半径为0.5～20mm，高度为1mm～20mm的空心圆柱体。

一些实施例中，陶瓷套管的材料为BaLn₂Ti₄O₁₂、BaOLn₂O₃TiO₂、CaTiO₃、 或改性系列及改性铅基钙钛矿系列。使用3D结构的微波介质的陶瓷套管与微 波天线集成制备实现大尺寸3D均匀微波场，可提升块体金刚石的微波操纵效 率。

一些实施例中，微波天线13为贴片天线、海姆赫兹天线、互感贴片天线、 铜圈中的任意一种，且微波天线的中心通孔的尺寸为100μm～2mm。如图3所 示的一种微波天线的结构示意图。微波天线贴在陶瓷套管的一端面上，且微波天线的中心通孔16与与NV色心系综样品的凹坑同轴设置。

由于荧光会四面八方散射，部分荧光会发射到微波天线处，为了进一步提 高磁力探测头的灵敏度，如图4和图5所示，可在金刚石NV色心系综样品12 的凹坑14与微波天线13间的陶瓷套管11的腔体内，设置用于反射荧光的反射 镜片15，且反射镜片15上设有第一通孔17，第一通孔17与凹坑14和微波天 线13的中心通孔16同轴设置。

本发明实施例提供的磁力探测头，通过将陶瓷套管和微波天线与大尺寸的 块状NV色心系综样品集成在一起，提升了金刚石的微波操纵效率，从而提升 了磁力探测头的探测灵敏度。

以下给出几个具体的实施例：

实施例一、

采用3mm*3mm*3mm的圆柱体的块状金刚石NV色心系综样品12，其表 面粗糙度为1nm，其一端接收激光入射的凹坑14的孔径为100μm。

将NV色心系综样品12放置在外圆直径12.5mm，内圆直径3.2mm，高度 6mm，采用BaLn₂Ti₄O₁₂制作而成的圆柱体微波陶瓷套管11内的中间位置。且 陶瓷套管11腔内壁均溅射有200nm Au作为镜面反射镀层。在靠近凹坑14一 端的陶瓷套管11腔内安装一具有第一通孔17的反射镜片15，且反射镜片15 的第一通孔17和凹坑14同轴设置。

最后在设有反射镜片15处的陶瓷套管11的端面上粘贴中心通孔直径为 200μm的微波天线13。且反射镜片15的第一通孔17、凹坑14和微波天线13 的中心通孔同轴设置。微波天线13采用圆环贴片天线，用于连接微波源并向陶 瓷套管的腔体发射微波，一种基于金刚石NV色心的磁力探测头即制作完成。

本实施例通过采用mm³级别大块金刚石NV色心系综立方体，使用3D结 构的微波介质陶瓷套管与微波天线集成，制备成了大尺寸3D均匀微波场，提 升了块体金刚石的微波操纵效率。并通过将陶瓷套管内腔中全部溅射镜面全反 射镀层，可以将金刚石NV色心产生的荧光全部采集，可以大幅度提高荧光的 收集率，提升单位时间内探测的荧光强度。

实施例二、

采用2mm*2mm*3mm的长方体的块状金刚石NV色心系综样品12，其表 面粗糙度为0.5nm，其一端接收激光入射的凹坑14的孔径为100μm，另一端 设有光纤。NV色心系综样品12的上表面除凹坑14以及光纤18与NV色心系综样品12的连接部外，均溅射有200nm Ag作为镜面反射镀层。其中，光纤18 的内径为105μm。

将NV色心系综样品12放置在外边长为12.5mm，内边长为3.2mm，高度 为6mm，采用BaLn₂Ti₄O₁₂制作而成的圆柱体微波陶瓷套管11的中间。在靠近 凹坑14一端的陶瓷套管11腔内安装一具有第一通孔的反射镜片15，且反射镜 片15的第一通孔和凹坑14同轴设置。

最后在设有反射镜片15处的陶瓷套管11的端面上粘贴中心通孔的直径为 200μm的微波天线13。且反射镜片15的第一通孔、凹坑14和微波天线13的 中心通孔同轴设置。其中，微波天线13采用圆环贴片天线，用于连接微波源并 向陶瓷套管的腔体发射微波，一种基于金刚石NV色心的磁力探测头即制作完 成。

本实施例通过采用mm³级别大块金刚石NV色心系综立方体，使用3D结 构的微波介质陶瓷套管与微波天线集成，制备成了大尺寸3D均匀微波场，提 升了块体金刚石的微波操纵效率，并利用光纤集成具有镜面全反射镀层的大尺 寸金刚石NV色心系综立方体样品，提升单位时间内探测的荧光强度。

本发明中根据金刚石磁探测声子散射噪声极限灵敏度公式：

荧光强度的平方根与灵敏度成反比，I₀越大，则金刚石NV色心磁探测噪 声越低，灵敏度越高。本发明通过大尺寸块状金刚石样品，增加金刚石样品的 总体色心数量，相同条件下能够提供更多的荧光。假设NV色心系综样品尺寸 为5mm*5mm*5mm＝125mm³立方体，与目前通用的微波可以全部操纵的金刚石 色心样品1mm*1mm*0.2mm＝0.2mm³，整体色心数目提升了625倍，开根号后 为25倍，荧光强度可带来25倍的灵敏度提升，荧光对比度C也会有一定程度 的提升。同时结合光纤和镜面全反射镀层在金刚石表面，或者通过在陶瓷套管的内腔中均溅射镜面全反射镀层，都可以使荧光收集效率接近100％，而传统 的方法在10％以内，荧光效率也提升10倍，相当于本发明提供的基于金刚石 NV色心的磁力探测头的整体荧光强度提升了6250倍。

本发明实施例还提供了一种基于金刚石NV色心的磁力探测系统，包括： 上述的磁力探测头、激光激发模块和荧光检测模块。

其中，激光激发模块包括激光器、用于稳定激光功率的控制器、声光调制 器和聚焦透镜，激光激发模块发射的激光经聚焦透镜和微波天线的通孔、从NV 色心系综样品的凹坑入射。荧光检测模块，包括与磁力探测头的一端顺次连接 的滤光片、聚焦透镜和光电探测器。且激光准直器、滤光片和聚焦透镜均放置 于遮光套筒中。

具体的，用于稳定激光功率的控制器采用PID控制器，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。

一些实施例中，为了抑制激光功率和微波功率导致的展宽，进一步提高灵 敏度，在声光调制器内可使用脉冲磁力探测协议控制激光器的开断。其中，声 光调制器AOM可以控制激光器的打开和关闭，脉冲磁力探测协议可以利用一 定时间的激光照射NV色心系综样品，使金刚石NV色心初始化，然后关闭激 光器。利用NV色心状态发生翻转，之后再使用AOM打开激光器。利用光电 探测器探测激光器照射到金刚石NV色心系综样品所产生的荧光，探测出荧光 信号，荧光信号中会包含磁场信息，从而可以探测出磁力。

一些实施例中，为了能进一步提高磁力探测的灵敏度，在陶瓷套管的上下 两侧分别设有聚磁模块，可将外界磁场进行放大。其中，聚磁模块的材料为铁 氧体，为三角形圆柱筒，高为50～200mm，底面圆柱直径为50～200mm。

一些实施例中，当磁力探测头的一端设有光纤时，将光纤的另一端连接准 直器后，然后顺次连接荧光检测模块中的滤光片、聚焦透镜和光电探测器。且 激光准直器、滤光片和聚焦透镜均放置于遮光套筒中。

具体的，如图6所示的一种基于金刚石NV色心的磁力探测系统，包括： 磁力探测头、激光激发模块、荧光检测模块和聚磁模块。

其中，激光激发模块包括激光器、用于稳定激光功率的PID控制器、声光 调制器AOM和第一聚焦透镜31，激光激发模块发射的激光经第一聚焦透镜31 和微波天线13的通孔、从NV色心系综样品12的凹坑14入射。光纤18与准 直器21连接后，连接荧光检测模块。荧光检测模块包括与与准直器21的另一 端顺次连接的滤光片22、第二聚焦透镜23和光电探测器。且准直器21、滤光 片22、第二聚焦透镜23均设置于遮光套筒24内。此外，在磁力探测头的陶瓷 套管11的上下两侧固定有聚磁模块，具体的，聚磁模块为由铁氧体材料制作而成的圆柱体，圆柱体的高为120mm，底面圆柱面的直径为80mm。

如图7所示的另一种基于金刚石NV色心的磁力探测系统，包括：磁力探 测头、激光激发模块、荧光检测模块和聚磁模块。

其中，激光激发模块包括激光器、用于稳定激光功率的PID控制器、声光 调制器AOM和第一聚焦透镜31，激光激发模块发射的激光经第一聚焦透镜31 和微波天线13的通孔、从NV色心系综样品12的凹坑14入射。荧光检测模块， 包括与磁力探测头的一端顺次连接的滤光片22、第二聚焦透镜23和光电探测 器。在磁力探测头的陶瓷套管的上下两侧固定有聚磁模块，具体的，聚磁模块 为由铁氧体材料制作而成的圆柱体，圆柱的高120mm，底面圆柱面的直径为80mm。由于在陶瓷套管的内腔内均溅射有镜面全反射镀层，当荧光从磁力探测 头内的金刚石NV色心激发出时，通过陶瓷套管的内腔壁上的镜面全反射镀层 可将激发的荧光全部反射到荧光检测模块中，从而提升检测的灵敏度。

仍然以上面的NV色心系综样品尺寸为5mm*5mm*5mm＝125mm³立方体为 例进行说明，在陶瓷套管外侧集成聚磁模块，将外界磁场进行放大，一般聚磁 可放大磁场为200倍。在激光功率模块使用PID激光稳定器，可消减激光噪声，一般在10倍左右，同时结合AOM使用脉冲磁力探测技术协议抑制激光功率和微波功率导致的展宽，与连续波探测方法相比可以提升4倍左右。最终本磁力 探测系统与传统的磁力探测系统可以提升灵敏度：荧光强度提升79倍，激光稳 定提升10倍，脉冲磁力探测协议提升4倍，聚磁模块提升200倍，灵敏度提升总倍数约可达到6.32*10⁵倍。

以上面的两个实施例中的磁力探测头组成磁力探测系统为：

实施例三、

采用3mm*3mm*3mm的圆柱体的块状金刚石NV色心系综样品12，其表 面粗糙度为1nm，其一端接收激光入射的凹坑14的孔径为100μm。将NV色 心系综样品12放置在外圆直径12.5mm，内圆直径3.2mm，高度6mm，采用 BaLn₂Ti₄O₁₂制作而成的微波陶瓷套管11内的中间位置。且陶瓷套管11腔内壁 均溅射有200nm Au作为镜面反射镀层。在靠近凹坑14一端的陶瓷套管11腔 内安装一具有第一通孔的反射镜片15，且反射镜片15的第一通孔和凹坑14同轴设置。最后在设有反射镜片15处的陶瓷套管11的端面上粘贴中心通孔直径 为200μm的微波天线13。且反射镜片15的第一通孔、凹坑14和微波天线13 的中心通孔同轴设置。微波天线13采用圆环贴片天线，用于连接微波源并向陶 瓷套管的腔体发射微波，一种基于金刚石NV色心的磁力探测头即制作完成。

然后将制作完成的磁力探测头的未设置微波天线13的一端与荧光检测模 块连接，即可将滤光片22和第二聚焦透镜23放置在遮光套筒24内，然后连接 光电探测器，过滤激光探测荧光。在磁力探测头的另一端将微波天线13连接微 波源，在微波天线13的另一侧集成激光激发模块，即使用激光器、稳定激光功 率的PID控制器、控制脉冲激光的AOM，和最后聚焦激光的第一聚焦透镜31。 最后在陶瓷套管11的上下两侧分别设置聚磁模块，聚磁模块的尺寸为圆柱高为 120mm，底面圆柱面的直径为80mm。从而形成高探测灵敏度的磁力探测系统。且在控制脉冲激光的声光调制器AOM中使用脉冲磁力探测协议，微波作用脉 冲时间为T₂，其中T₂为金刚石NV色心的退相位时间。声光调制器AOM可以 控制激光器的打开和关闭，脉冲磁力探测协议利用一定时间的激光照射金刚石 样品(一般为10us)，使金刚石NV色心初始化，然后关闭激光，使用微波使NV 色心状态发生翻转。之后再使用AOM打开激光，利用光电探测器探测激光照 射金刚石所产生的荧光，读出荧光信号，其中的荧光信号中将就包含了磁场信 息，从而即可探测磁力。

实施例四、

采用2mm*2mm*3mm的长方体的块状金刚石NV色心系综样品12，其表 面粗糙度为0.5nm，其一端接收激光入射的凹坑14的孔径为100μm，另一端 设有光纤。NV色心系综样品12的上表面除凹坑14以及光纤与NV色心系综 样品12表面的连接部外，均溅射有200nm Ag作为镜面反射镀层。光纤的内径 为105μm。将NV色心系综样品12放置在外边长为12.5mm，内边长为3.2mm， 高度6mm，采用BaLn₂Ti₄O₁₂制作而成的微波陶瓷套管11内的中间。在靠近凹坑14一端的陶瓷套管11腔内安装一具有第一通孔的反射镜片15，且反射镜片 15的第一通孔和凹坑14同轴设置。最后在设有反射镜片15处的陶瓷套管11 的端面上粘贴中心通孔直径为200μm的微波天线13。且反射镜片15的第一通 孔、凹坑14和微波天线13的中心通孔同轴设置。其中，微波天线13采用圆环 贴片天线，用于连接微波源并向陶瓷套管的腔体发射微波，一种基于金刚石NV 色心的磁力探测头即制作完成。

然后将制作完成的磁力探测头的光纤18的另一侧集成准直器21和荧光检 测模块，且将准直器21、滤光片22和第二聚焦透镜23均放置在遮光套筒24 内，然后连接光电探测器，过滤激光探测荧光。在磁力探测头的另一端将微波 天线13连接微波源，在微波天线13的另一侧集成激光激发模块，即使用激光 器、稳定激光功率的PID控制器、控制脉冲激光的AOM，和最后聚焦激光的 第一聚焦透镜31。最后在陶瓷套管11的上下两侧分别设置聚磁模块，聚磁模 块的尺寸为圆柱高120mm，底面圆柱面直径80mm。从而形成高探测灵敏度的磁力探测系统。且在控制脉冲激光的声光调制器AOM中使用脉冲磁力探测协议，微波作用脉冲时间为T₂，其中T₂为金刚石NV色心的退相位时间。声光调 制器AOM可以控制激光器的打开和关闭，脉冲磁力探测协议利用一定时间的 激光照射金刚石样品(一般为10us)，使金刚石NV色心初始化，然后关闭激光， 使用微波使NV色心状态发生翻转。之后再使用AOM打开激光，利用光电探 测器探测激光照射金刚石所产生的荧光，读出荧光信号，其中的荧光信号中将 就包含了磁场信息，从而即可探测磁力。

本发明的磁力探测系统，采用mm³级别大块金刚石NV色心立方体，使用 3D结构的微波介质陶瓷套管与微波天线集成制备实现大尺寸3D均匀微波场， 提升块体金刚石的微波操纵效率。中间通过在陶瓷套管内腔表面均溅射镜面全 反射镀层或通过光纤与金刚石NV色心表面溅射镜面全反射镀层进一步提升荧 光收集率。最后，再结合激光功率稳定PID模块、脉冲磁力探测传感协议，最 后再在金刚石NV色心磁力探测头外部放置具有聚磁能力的聚磁模块，放大外 界磁场，实现提升异磁场探测灵敏度的提升。

本发明的磁力探测系统，通过将高灵敏度的磁力探测头与激光激发模块和 荧光检测模块集成，组成了磁力探测系统。该系统对环境要求不苛刻，具有良 好的固态稳定性，且可实现极高的空间分辨率，制作相对简单，维护成本较低， 可以在室温下工作，适用范围较广。

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)

1.一种基于金刚石NV色心的磁力探测头，其特征在于，包括：具有两端开口的3D结构的微波介质的陶瓷套管、设置在所述陶瓷套管的腔体内的金刚石NV色心系综样品以及设置在所述陶瓷套管一端面上的微波天线；

所述金刚石NV色心系综样品为毫米级的块状结构，其朝向所述微波天线的第一端面上设有用于接收激光入射的凹坑；

所述微波天线设有中心通孔、且所述中心通孔与所述金刚石NV色心系综样品的凹坑同轴设置，所述微波天线用于连接微波源并向所述陶瓷套管的腔体发射微波；

所述金刚石NV色心系综样品与所述第一端面相对的第二端面设有光纤，所述金刚石NV色心系综样品的外表面溅射有镜面全反射镀层，其中，所述全反射镀层避开所述凹坑以及所述光纤与所述金刚石NV色心系综样品的连接部；

所述陶瓷套管的腔体内壁均溅射有镜面全反射镀层，且在所述金刚石NV色心系综样品的所述第一端面溅射有镜面全反射镀层；其中，所述镜面全反射镀层在第一端面上避开所述凹坑；

其中，所述金刚石NV色心系综样品在微波源和激光的激发下，在所述陶瓷套管的腔体内产生荧光。

2.如权利要求1所述的基于金刚石NV色心的磁力探测头，其特征在于，所述金刚石NV色心系综样品横截面的大小和/或形状与所述陶瓷套管横截面的大小相适配；

其中，所述金刚石NV色心系综样品为长、宽和高尺寸在1mm-10mm的长方体，或直径为1mm-10mm的圆柱体；所述金刚石NV色心系综样品的表面粗糙度为0.1nm-10nm，色心浓度为0.001ppm-200ppm。

3.如权利要求1所述的基于金刚石NV色心的磁力探测头，其特征在于，在所述陶瓷套管的腔体内还设有用于反射荧光的反射镜片，所述反射镜片定位在所述金刚石NV色心系综样品的第一端面与所述微波天线之间、且在中部设有用于入射激光通过的第一通孔。

4.如权利要求1所述的基于金刚石NV色心的磁力探测头，其特征在于，所述光纤的内径的尺寸范围为50μm～1500μm。

5.如权利要求1所述的基于金刚石NV色心的磁力探测头，其特征在于，所述微波天线为贴片天线、海姆赫兹天线、互感贴片天线、铜圈中的任意一种，且所述微波天线的中心通孔的尺寸为100μm～2mm。

6.一种基于金刚石NV色心的磁力探测系统，其特征在于，包括：权利要求1至5任一项所述的磁力探测头，还包括激光激发模块和荧光检测模块；

所述激光激发模块包括激光器、用于稳定激光功率的控制器、声光调制器和聚焦透镜，所述激光激发模块发射的激光经所述聚焦透镜和微波天线的中心通孔、从所述金刚石NV色心系综样品的凹坑入射；

所述荧光检测模块，包括与所述磁力探测头的激光出射端顺次连接的滤光片、聚焦透镜和光电探测器。

7.如权利要求6所述的金刚石NV色心的磁力探测系统，其特征在于，所述声光调制器内使用脉冲磁力探测协议控制所述激光器的开断。

8.如权利要求6所述的金刚石NV色心的磁力探测系统，其特征在于，沿所述陶瓷套管轴向、在所述陶瓷套管相对两侧分别设有聚磁模块。