CN114047556A - 基于金刚石nv色心的磁力探测头及磁力探测系统 - Google Patents
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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。该磁力探测头包括：金刚石NV色心系综样品，其为毫米级块状结构、内部阵列设置多个用于冷媒流通的微流道，各微流道的一端与用于冷媒入口的冷媒管密封连接、另一端与用于冷媒出口的冷媒管密封连接；微波天线，设置在金刚石NV色心系综样品表面，用于与微波源连接；光纤，与金刚石NV色心系综样品的一端面连接、且避开冷媒管所在的端面。本发明能够通过在毫米级的金刚石NV色心系综样品内部设置用于冷媒流通的微流道，可通过在微流道内部通入冷媒，降低金刚石NV色心系综样品的整体温度，提高探测灵敏度。
Description
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。但是当使用较强量级的激光激发金刚石NV色心时，金刚石NV色心的温度会急剧升高，导致金刚石NV色心磁力探测系统的灵敏度降低，无法满足当前测试的需求。因此，亟需一种高灵敏度的低温金刚石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，以解决目前金刚石NV色心温度急剧升高，导致磁力探测系统灵敏度变低的问题。
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：
金刚石NV色心系综样品，其为毫米级块状结构、内部阵列设置多个用于冷媒流通的微流道，各微流道的一端与用于冷媒入口的冷媒管密封连接、另一端与用于冷媒出口的冷媒管密封连接；
微波天线，设置在金刚石NV色心系综样品表面，用于与微波源连接；
光纤，与金刚石NV色心系综样品的一端面连接、且避开冷媒管所在的端面。
本发明实施例提供的基于金刚石NV色心的磁力探测头，通过在毫米级的金刚石NV色心系综样品内部设置用于冷媒流通的微流道，可通过在微流道内部通入冷媒，降低金刚石NV色心系综样品的整体温度，提升金刚石NV色心的荧光强度和退相干时间。通过连接光纤，使被激发的荧光进入到光纤内收集起来，便于后续检测，从而提高了探测的灵敏度。
在一种可能的实现方式中，各微流道的一端与用于冷媒入口的第一腔室连通、另一端与用于冷媒出口的第二腔室连通；其中，第一腔室和第二腔室分别由第一外壳和第二外壳与金刚石NV色心系综样品相应端面上扣合封装而成。
可选的，多个微流道阵列排布且贯穿在金刚石NV色心系综样品的两个相对端面，该两端面分别设置有与微流道连通的凹槽，第一外壳和第二外壳分别与该两端面密封连接形成第一腔室和第二腔室。
在一种可能的实现方式中，微流道的直径为20μm～200μm，凹槽的深度为10μm～100μm。
在一种可能的实现方式中，凹槽与冷凝管采用有机固化胶密封连接。
在一种可能的实现方式中，金刚石NV色心系综样品每个面的表面粗糙度小于5nm、色心浓度为0.01ppm-100ppm。
在一种可能的实现方式中，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，全反射镀层避开冷媒管与金刚石NV色心系综样品连接部以及用于连接光纤的光纤连接部，镜面全发射镀层的厚度为50nm～2000nm。
在一种可能的实现方式中，光纤的内径的尺寸为50μm～1500μm。
在一种可能的实现方式中，冷媒为液氮、液氦、液氩或水。
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：权利要求1至9任一项的磁力探测头，以及激光激发模块、荧光检测模块和光路模块；其中：
光路模块，包括与磁力探测头的光纤的另一端顺次连接的准直器和双色镜片；双色镜片用于将激光激发模块发射的激光入射到准直器内，且用于透射磁力探测头发射的荧光；
激光激发模块，包括激光器和用于稳定激光功率的控制器，激光激发模块发射的激光经过光路模块入射到磁力探测头上；
荧光检测模块，包括光电探测器和滤光片，滤光片将经过光路模块透射的荧光再次过滤后发射到光电探测器上。
本发明实施例提供的基于金刚石NV色心的磁力探测系统，通过将基于金刚石NV色心的磁力探测模块与激光激发模块、荧光检测模块和光路模块集成，从而可以得到高探测灵敏度的磁力探测系统。该磁力探测系统通过降低金刚石NV色心的温度，提升了荧光强度和退相干时间，从而提高了整个探测系统的探测磁场的灵敏度。
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是本发明一实施例提供的金刚石NV色心系综样品的剖面结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的基于金刚石NV色心的磁力探测头的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的金刚石NV色心系综样品微流道的侧视结构示意图；
图4是本发明又一实施例提供的金刚石NV色心系综样品的剖面结构示意图；
图5是本发明又一实施例提供的基于金刚石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基于金刚石NV色心的磁力探测系统的结构示意图。
图中，11-金刚石NV色心系综样品，110-微流道，111-第一腔室，112-第二腔室，113-凹槽，12-冷媒入口，13-冷媒出口，14-光纤，15-微波天线，21-双色镜片，22-滤光片。
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，且当使用较强量级的激光激发金刚石NV色心时，金刚石NV色心的温度会急剧升高，导致金刚石NV色心磁力探测系统的灵敏度降低，因此，亟需一种高灵敏度的低温金刚石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金刚石NV色心磁力探测头进行介绍。
该金刚石NV色心磁力探测头包括：金刚石NV色心系综样品、微波天线和光纤。毫米级块状结构的金刚石NV色心系综样品，其内部阵列设置多个用于冷媒流通的微流道，各微流道的一端与用于冷媒入口的冷媒管密封连接、另一端与用于冷媒出口的冷媒管密封连接。在金刚石NV色心系综样品表面设置有微波天线，用于与微波源连接。与金刚石NV色心系综样品的一端面连接有光纤、且避开冷媒管所在的端面。
通过在金刚石NV色心系综样品内部设置流通的冷媒微流道，从而当金刚石NV色心的温度急剧升高时，通过通入的冷媒可降低金刚石NV色心的温度，提升金刚石NV色心的荧光强度和退相干时间，提高探测灵敏度。
一些实施例中，如图1所示，金刚石NV色心系综样品11内部的各微流道110的一端与用于冷媒入口12的第一腔室111连通、另一端与用于冷媒出口13的第二腔室112连通；其中，第一腔室111和第二腔室112分别由第一外壳和第二外壳与金刚石NV色心系综样品11相应端面上扣合封装而成。采用预先制作好的第一外壳和第二外壳，利用高温固化胶将两个外壳扣合在金刚石NV色心系综样品11的端面，使其密封。如图2所示，在金刚石NV色心系综样品11的表面上设置有微波天线15，在金刚石NV色心系综样品11的一端面连接有光纤14。
具体的，如图3所示，在金刚石NV色心系综样品11内部采用激光打孔，在金刚石NV色心系综样品11的侧面打通贯穿通孔，形成阵列设置的微通道110。
可选的，如图4所示，多个微流道110阵列排布且贯穿在金刚石NV色心系综样品11的两个相对端面，该两端面分别设置有与微流道110连通的凹槽113，第一外壳和第二外壳分别与该两端面的凹槽113密封连接形成第一腔室和第二腔室。
具体的，使用激光打孔技术，在金刚石NV色心系综样品11侧面打通贯穿的通孔，形成阵列排布的微流道110。并在微流道110两端激光加工较小的凹槽113，使用硝酸和硫酸混合液煮沸清洗微流道110。采用预先制作好的第一外壳和第二外壳，利用高温固化胶连接两个外壳和金刚石NV色心系综样品11两侧边缘，使其密封，从而形成密封的且连接有流入和流出冷媒材料的金刚石NV色心磁力探测头。如图5所示，在金刚石NV色心系综样品11的表面上设置有微波天线15，在金刚石NV色心系综样品11的一端面连接有光纤14。
一些实施例中，微流道110的直径为20μm～200μm，凹槽113的深度为10μm～100μm。其中，凹槽与冷凝管采用有机固化胶密封连接。
一些实施例中，金刚石NV色心系综样品每个面的表面粗糙度小于5nm、色心浓度为0.01ppm-100ppm。
为了提升激光在金刚石NV色心系综样品内部的光程，在金刚石NV色心系综样品的外表面溅射有镜面全反射镀层。其中，全反射镀层避开冷媒管与金刚石NV色心系综样品连接部以及用于连接光纤的光纤连接部，镜面全发射镀层的厚度为50nm～2000nm。镜面全反射镀层不仅提升激光在金刚石NV色心系综样品内部的光程，而且可以使激光照射金刚石NV色心系综样品内激发的荧光也被镜面全反射镀膜反射，最终能全部进入光纤内被收集起来，提升荧光强度。
一些实施例中，光纤的内径的尺寸为50μm～1500μm。其中，首先将光纤头与金刚石NV色心系综样品紧密贴合，之后在光纤外圈一周涂上紫外固化胶或高温胶，便可以使光纤和金刚石NV色心系综样品连接起来，可以用来入射激光并收集荧光
一些实施例中，冷媒可以为液氮、液氦、液氩或水。冷媒从冷媒入口通入金刚石NV色心系综样品的一端，从金刚石NV色心系综样品的另一端的冷媒出口流出，通过冷媒的流动，可以降低金刚石NV色心系综样品的整体温度，提升金刚石NV色心的荧光强度和退相干时间。
本实施例提供的基于金刚石NV色心的磁力探测头，通过在毫米级的金刚石NV色心系综样品内部设置用于冷媒流通的微流道，可通过在微流道内部通入冷媒，降低金刚石NV色心系综样品的整体温度，提升金刚石NV色心的荧光强度和退相干时间。通过连接光纤，使被激发的荧光进入到光纤内收集起来，便于后续检测，从而提高了探测的灵敏度。
以下给出几个具体的实施例：
实施例一、
首先，选取5mm*5mm*500μm，且每个面表面粗糙度控制在0.2nm的金刚石NV色心系综样品，采用激光打孔技术，在金刚石NV色心系综样品500μm的侧面打通贯穿通孔形成微流道。其中，微流道的直径为100μm，间隔为500μm，并且在微流道的两端激光加工较小的凹槽，凹槽的深度为200μm。使用1:3硝酸和硫酸的混合液，300℃煮沸30min清洗微流道。
接着，使用紫外固化胶将金刚石NV色心系综样品两端的凹槽与事先制作好的塑料外壳和冷媒管密封连接。并在冷媒管内部通入冷媒，如水。
然后，使用内径为500μm的光纤粘接在金刚石NV色心系综样品底部，用来入射激光并收集荧光。
最后，在金刚石NV色心系综样品外部磁控溅射200nm Au镜面全反射镀层。基于金刚石NV色心的低温磁力探测头即制作完成。
实施例二、
首先，选取3mm*3mm*500μm，且每个面表面粗糙度控制在0.2nm的金刚石NV色心系综样品，采用激光打孔技术，在金刚石NV色心系综样品500μm的侧面打通贯穿通孔形成微流道。其中，微流道的直径为200μm，间隔为500μm，并且在微流道的两端激光加工较小的凹槽，凹槽的深度为200μm。使用1:3硝酸和硫酸的混合液，300℃煮沸30min清洗微流道。
接着，使用紫外固化胶将金刚石NV色心系综样品两端的凹槽与事先制作好的塑料外壳和冷媒管密封连接。并在冷媒管内部通入冷媒，如水。
然后，使用内径为100μm的光纤粘接在金刚石NV色心系综样品底部，用来入射激光并收集荧光。
最后，在金刚石NV色心系综样品外部磁控溅射200nm Ag镜面全反射镀层。基于金刚石NV色心的低温磁力探测头即制作完成。
本发明制备的低温磁力探测头，通过将金刚石NV色心系综样品内部挖出贯穿的微流道阵列，两端使用封装材料封装后，利用液体从金刚石NV色心系综样品的一端导入从另一端导出，在微流道内部通入吸热液体，降低金刚石NV色心系综样品的整体温度，提升金刚石NV色心系综样品的荧光强度和退相干时间。将金刚石NV色心系综样品和光纤结合，并在金刚石NV色心系综样品剩余裸露面溅射镜面全反射镀层，提升激光在金刚石体材料内部的光程，同时激光照射金刚石NV色心所发出的荧光也被全反射镀层反射，最终进入光纤内被收集起来，提升了荧光强度。所制备金刚石NV色心磁力探测头，即通过降低材料的温度，提升荧光强度和退相干时间，又通过镜面全反射镀层提升了激光激发效率和荧光收集效率，最终提升了金刚石NV色心的磁场测量灵敏度。
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：上述磁力探测头，以及激光激发模块、荧光检测模块和光路模块；其中：
光路模块，包括与磁力探测头的光纤的另一端顺次连接的准直器和双色镜片；双色镜片用于将激光激发模块发射的激光入射到准直器内，且用于透射磁力探测头发射的荧光。激光激发模块，包括激光器和用于稳定激光功率的控制器，激光激发模块发射的激光经过光路模块入射到磁力探测头上。荧光检测模块，包括光电探测器和滤光片，滤光片将经过光路模块透射的荧光再次过滤后发射到光电探测器上。
其中，双色镜片可用于反射532nm的激光、透射600-800nm的荧光。激光器为532nm激光器。
使用时，微波源可发射固定频率的微波，通过微波天线辐射在磁力探测头内的金刚石NV色心上，从而操纵量子自旋。
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、荧光检测模块和光路模块，将微波天线与微波源连通。
光路模块为与磁力探测头的光纤14的另一端顺次连接的准直器和双色镜片22。激光激发模块为激光器和用于稳定激光功率的控制器PID。荧光检测模块为光电探测器和滤光片21。具体工作过程为：532nm的激光器发射的激光通过PID控制器稳定激光的强度，降低激光的噪声。接着，激光通过双色镜片22反射到光纤准直器中，耦合进入光纤14的内部，激光直接照射在金刚石NV色心的表面。在激光和微波的激发下，金刚石NV色心发射出的荧光通过光纤14收集原路反回到双色镜片22处。双色镜片22可以反射532nm激光，还可以透射600～800nm的荧光。透射过的荧光通过滤光片21后，再次过滤532nm的激光最后打到光电探测器感光单元上，即可探测荧光强度的变化。
本实施例提供的基于金刚石NV色心的磁力探测系统，通过将基于金刚石NV色心的磁力探测模块与激光激发模块、荧光检测模块和光路模块集成，从而可以得到高探测灵敏度的磁力探测系统。该磁力探测系统通过降低金刚石NV色心的温度，提升了荧光强度和退相干时间，从而提高了整个探测系统的探测磁场的灵敏度。
具体的，可将上面两个实施例中的磁力探测头与激光激发模块、荧光检测模块和光路模块即可组成完整的磁力探测系统，此处不再赘述。
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 (10)
1.一种基于金刚石NV色心的磁力探测头，其特征在于，包括：
金刚石NV色心系综样品，其为毫米级块状结构、内部阵列设置多个用于冷媒流通的微流道，各所述微流道的一端与用于冷媒入口的冷媒管密封连接、另一端与用于冷媒出口的冷媒管密封连接；
微波天线，设置在所述金刚石NV色心系综样品表面，用于与微波源连接；
光纤，与所述金刚石NV色心系综样品的一端面连接、且避开所述冷媒管所在的端面。
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，各所述微流道的一端与用于冷媒入口的第一腔室连通、另一端与用于冷媒出口的第二腔室连通；其中，所述第一腔室和第二腔室分别由第一外壳和第二外壳与所述金刚石NV色心系综样品相应端面上扣合封装而成。
3.如权利要求2所述的基于金刚石NV色心的磁力探测头，其特征在于，多个所述微流道阵列排布且贯穿在所述金刚石NV色心系综样品的两个相对端面，所述两个相对端面分别设置有与所述微流道连通的凹槽，所述第一外壳和第二外壳分别与所述两个相对端面的所述凹槽密封连接形成所述第一腔室和第二腔室。
4.如权利要求3所述的基于金刚石NV色心的磁力探测头，其特征在于，所述微流道的直径为20μm～200μm，所述凹槽的深度为10μm～100μm。
5.如权利要求3所述的基于金刚石NV色心的磁力探测头，其特征在于，所述凹槽与所述冷媒管采用有机固化胶密封连接。
6.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色心系综样品每个面的表面粗糙度小于5nm、色心浓度为0.01ppm-100ppm。
7.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冷媒管与所述金刚石NV色心系综样品连接部以及用于连接光纤的光纤连接部，所述镜面全发射镀层的厚度为50nm～2000nm。
8.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为50μm～1500μm。
9.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，所述冷媒为液氮、液氦、液氩或水。
10.一种基于金刚石NV色心的磁力探测系统，其特征在于，包括：权利要求1至9任一项所述的磁力探测头，以及激光激发模块、荧光检测模块和光路模块；其中：
所述光路模块，包括与所述磁力探测头的光纤的另一端顺次连接的准直器和双色镜片；所述双色镜片用于将所述激光激发模块发射的激光入射到所述准直器内，且用于透射所述磁力探测头发射的荧光；
所述激光激发模块，包括激光器和用于稳定激光功率的控制器，所述激光激发模块发射的激光经过所述光路模块入射到所述磁力探测头上；
所述荧光检测模块，包括光电探测器和滤光片，所述滤光片将经过所述光路模块透射的荧光再次过滤后发射到所述光电探测器上。
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