CN114114096A - 一种基于磁通聚集器的无微波金刚石nv色心磁力仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁场探测技术领域，尤其涉及一种基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，包括光路系统、磁场发生模块、光电转换模块、数据处理模块、金刚石NV色心样品薄片以及一对相同的磁通聚集器；一对磁通聚集器同轴相对间隔设置，金刚石NV色心样品薄片设于一对磁通聚集器的间隙中央；磁场发生模块用于提供稳恒磁场与调制磁场；光路系统用于提供绿色泵浦激光入射至金刚石NV色心薄片样品，以及采集金刚石NV色心薄片样品发出的红色荧光；光电转换模块用于接收红色荧光，将红色荧光转换为电信号并输入数据处理模块；数据处理模块用于基于磁通聚集器的磁场放大倍数及输入的电信号计算待测磁场。本发明可有效减小产生稳恒磁场所需功率。

Description

一种基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪

技术领域

本发明涉及磁场探测技术领域，尤其涉及一种基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪及磁场测量方法。

背景技术

磁场探测技术可应用于包括航天磁环境模拟、生物磁场测量与成像，以及新型材料研究等多项前沿领域。近年来，基于单晶体金刚石负电性NV色心的磁力仪因其高灵敏度与高空间分辨率的特点而备受关注。单晶体金刚石负电性NV色心磁力仪主体部分在于负电性NV色心，其结构可描述为：在金刚石四面体原子结构内，将位于中心的碳原子用氮原子(N)替代，并去掉与之成键的四个碳原子之一形成空位(Vacancy)，该结构为自然电荷态缺陷NV⁰，同时为稳固成键，从周围环境吸收一个电子，形成一种负电荷态缺陷NV^-，该负电荷态缺陷对各种物理量具有更高的敏感性，故被更广泛研究，负电荷态缺陷NV^-通常简化表示为NV。

常见的金刚石NV色心应用是基于光学探测磁共振原理(ODMR)原理的磁力仪，但基于ODMR原理的金刚石NV色心磁力仪需外加微波磁场，这种微波磁场会引入杂散谐波而造成测量误差，在一些微波磁场不适宜的环境，或微波磁场对样品有较强的攻击性的场合不宜使用。

无微波金刚石NV色心磁力仪需要外加恒定的偏置磁场以让金刚石NV色心工作在基态能级反交叉区域(简称GSLAC区)。但外加磁场通常需要较大的电流通入线圈，功耗大，且产生大量热量，对金刚石NV色心样品所处环境的温度场有不利影响，因而线圈需要外加水冷结构，这会导致整体系统结构复杂且体积庞大；同时，通电线圈由于电流噪声在低频产生较大的磁场噪声，限制了金刚石NV色心磁力仪的灵敏度，更严重地，这种磁场噪声会引起金刚石NV色心自旋态能级能量的微小变化，导致在GSLAC区的工作点不稳定，进而导致横向磁场(即与NV轴垂直的磁场)引起的光强变化的波动。

发明内容

本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种小型化、功耗低，且磁场需求较低的无微波金刚石NV色心磁力仪。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，包括：

光路系统、磁场发生模块、光电转换模块、数据处理模块、金刚石NV色心样品薄片以及一对相同的磁通聚集器；

一对所述磁通聚集器同轴相对间隔设置，所述金刚石NV色心样品薄片设于一对所述磁通聚集器的间隙中央，所述磁通聚集器的底面与所述金刚石NV色心薄片样品的底面平行，轴线与所述金刚石NV色心样品薄片的NV轴共线，用于放大磁场；

所述磁场发生模块用于提供稳恒磁场与调制磁场；所述稳恒磁场的轴线与NV轴共线，用于为所述金刚石NV色心薄片样品提供幅值为102.4mT的恒定偏置磁场；所述调制磁场的轴线与NV轴共线和/或垂直，用于对所述金刚石NV色心薄片样品施加正弦型调制信号；

所述光路系统用于提供绿色泵浦激光入射至所述金刚石NV色心薄片样品，以及采集所述金刚石NV色心薄片样品发出的红色荧光；

所述光电转换模块用于接收红色荧光，将红色荧光转换为电信号并输入所述数据处理模块；

所述数据处理模块用于基于所述磁通聚集器的磁场放大倍数及输入的电信号计算待测磁场。

可选地，所述磁通聚集器的两个底面的面积不等，且面积更小的底面靠近所述金刚石NV色心薄片样品。

可选地，所述磁通聚集器采用高导磁材料制成，相对磁导率大于1000。

可选地，单个所述磁通聚集器的几何形状为长棒状、圆锥状、三角状、T形棒状或角状。

可选地，所述磁场发生模块包括一对恒流线圈和至少一对亥姆霍兹线圈；

一对所述恒流线圈分设于所述磁通聚集器的两侧，用于提供所述稳恒磁场，轴线与NV轴共线，产生的所述稳恒磁场幅值为

∈表示磁通聚集器的磁场放大倍数；

每一对所述亥姆霍兹线圈分设于所述磁通聚集器的两侧，轴线与NV轴共线或垂直，用于提供所述调制磁场。

可选地，所述磁场发生模块包括三对亥姆霍兹线圈，其中一对所述亥姆霍兹线圈设置在一对所述恒流线圈之间，轴线与NV轴共线，另两对所述亥姆霍兹线圈的轴线相互垂直，且均与NV轴垂直。

可选地，所述磁场发生模块还包括：稳恒电流源、任意波形发生器和功率放大器；

所述稳恒电流源用于对所述恒流线圈供电；

所述任意波形发生器用于产生调制电压信号；

所述功率放大器用于对所述任意波形发生器产生的调制电压信号进行放大并转为电流输出，依据所需产生的调制磁场输入对应的亥姆霍兹线圈。

可选地，所述光路系统包括激光器、声光调制器、分束器、照明物镜、成像物镜、滤光片、管镜、第一光电倍增管和两个聚焦透镜；

所述激光器用于发射波长为532nm的绿色泵浦激光；

所述声光调制器用于对绿色泵浦激光进行强度控制与调制；两个聚焦透镜分别设置于所述声光调制器的两侧，靠近所述激光器的所述聚焦透镜用于聚焦输入所述声光调制器的绿色泵浦激光，另一个所述聚焦透镜用于矫直输出所述声光调制器的绿色泵浦激光；

所述分束器用于分束，一路矫直后的绿色泵浦激光通过第一光电倍增管后反馈至所述声光调制器进行PID算法控制，另一路入射所述照明物镜，经聚焦后入射所述金刚石NV色心样品薄片；

所述成像物镜与所述照明物镜构成4f系统，用于将所述金刚石NV色心样品薄片处由于跃迁发出的红色荧光与透射的绿色泵浦激光进行收集，并准直为平行光；

所述滤光片设于所述成像物镜的出射口，用于滤除绿色泵浦激光，提高红色荧光的光强对比度；

所述管镜设于所述滤光片与所述光电转换模块之间，用于对红色荧光进行收集与聚焦。

可选地，所述数据处理模块包括锁相放大器、数据采集卡和上位机；

所述锁相放大器用于对所述光电转换模块输出的电信号进行解调，得到所述调制磁场在待测磁场处调制出的光强变化所对应的电压幅值，并输出；

所述数据采集卡用于对所述锁相放大器输出的电压幅值进行采样并储存；

所述上位机用于基于所述数据采集卡采样的数据，计算待测磁场。

本发明还提供了一种磁场测量方法，采用如上述任一项所述的基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，包括如下步骤：

S1、获取磁通聚集器的磁场放大倍数∈；

S2、启动所述无微波金刚石NV色心磁力仪，施加稳恒磁场与调制磁场，收集金刚石NV色心薄片样品发出的红色荧光，经处理得到相应的电压幅值；其中，所述稳恒磁场的幅值为

S3、基于得到的电压幅值与磁通聚集器的磁场放大倍数∈，计算相应的待测磁场的幅值。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，该磁力仪采用磁通聚集器放大磁场，减少金刚石NV色心样品薄片对外加稳恒磁场等级的需求，从而精简现有技术中的线圈水冷结构，尽量降低大功率线圈产生的低频本底噪声，进而解决整体系统结构复杂、难以小型化的问题，并提高金刚石NV色心磁力仪低频测量灵敏度。

本发明还提供了一种磁场测量方法，能够在低功耗的情况下实现对待测磁场的测量，且测量灵敏度较高。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪结构示意图；

图2(a)示出了一个圆锥状磁通聚集器的模型；

图2(b)示出了一对圆锥状磁通聚集器的模型；

图2(c)示出了基于有限元分析软件计算得到图2(b)所示两个圆锥状磁通聚集器(所用材料为坡莫合金)的磁场分布示意图

图3(a)示出了一个三角状磁通聚集器的模型；

图3(b)示出了一对三角状磁通聚集器的模型；

图4(a)示出了一个长棒状磁通聚集器的模型；

图4(b)示出了一对长棒状磁通聚集器的模型；

图5(a)示出了一个T形棒状磁通聚集器的模型；

图5(b)示出了一对T形棒状磁通聚集器的模型；

图6(a)示出了一个角状磁通聚集器的模型；

图6(b)示出了一对角状磁通聚集器的模型。

图中：1：激光器；2：声光调制器；3：聚焦透镜；4：分束器；5：照明物镜；6：成像物镜；7：滤光片；8：管镜；9：磁通聚集器；10：金刚石NV色心样品薄片；11：任意波形发生器；12：功率放大器；13：移相器；14：稳恒电流源；15：第一光电倍增管；16：锁相放大器；17：数据采集卡；18：上位机；19：第二光电倍增管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

如前所述，无微波磁场金刚石NV色心磁力仪需要外加偏置磁场以让金刚石NV色心工作在基态能级反交叉区域。金刚石NV色心在不考虑与核自旋相关的精细结构式的基态自旋态表现为三重态，分别为|0>态与|±1>态，由于自旋-自旋相互作用，|0>态与|±1>态退简并，|0>态与|±1>态的能级差为零场分裂能D＝2.87GHz，在施加磁场时，由于塞曼效应|±1>态退简并，自旋态的能级能量随施加磁场的幅值以零场分裂能D为基准向相反的方向等量变化，|±1>态的能级差以施加的磁场在NV轴方向的投影大小衡量为Δ＝2γB_z，其中γ为NV旋磁比。当B_z＝102.4mT时，|-1>态的能级能量由于塞曼效应而下降至|0>态的能级能量水平，该区域称为基态能级反交叉区域。在基态能级反交叉区域，金刚石NV色心类似ODMR原理导致的光强变化不仅对沿NV轴方向的纵向磁场敏感，在保持沿NV轴的纵向磁场不变的情况下也对垂直于NV轴的平面内的横向磁场敏感。

基于GSLAC原理的金刚石NV色心磁力仪实现了无微波磁场的条件下测量纵向待测磁场(即方向平行于NV轴方向的待测磁场)的幅值，而同时垂直于NV轴方向的横向待测磁场的变化也会导致光强变化，通过x-y方向的磁场调制，以NV轴方向为z轴，可实现x-y方向矢量磁场测量，从而实现三维矢量磁场探测。

但基于GSLAC原理的金刚石NV色心磁力仪需将金刚石NV色心的自旋态准备在GSLAC区附近，即需要施加沿NV轴方向、幅值为102.4mT的稳恒磁场。实现稳恒磁场通常采用多匝通电线圈，这种设计需要较大的电流，因大功耗而产生大量热量，对于金刚石NV色心样品所处环境的温度场有不利影响，因而线圈需要外加水冷结构，这会导致系统结构复杂且体积庞大；且线圈磁场均匀性较差，NV轴向磁场分量不均匀因而导致测量误差；通电线圈由于电流噪声在低频产生较大的磁场噪声，限制金刚石NV色心磁力仪的灵敏度，更严重地，这种磁场涨落会引起金刚石NV色心的自旋态能级能量的微小变化，导致在GSLAC区的工作点不稳定，进而导致横向磁场引起的光强变化的波动。

有鉴于此，本发明提出一种小型化、磁场需求较低的基于GSLAC原理的金刚石NV色心磁力仪，期望解决由于稳恒磁场发生装置(即通电线圈)产生的低频本底噪声与高功耗导致的灵敏度限制、冷却结构复杂，以及难以小型化的问题。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，包括光路系统、磁场发生模块、光电转换模块、数据处理模块、金刚石NV色心样品薄片10以及一对相同的磁通聚集器9。具体地，其中：

一对磁通聚集器9同轴相对间隔设置，金刚石NV色心样品薄片10设于一对磁通聚集器9之间的间隙中央，两个磁通聚集器9的底面均与金刚石NV色心薄片样品的底面平行，两个磁通聚集器9的轴线与金刚石NV色心样品薄片10的NV轴共线，两个磁通聚集器9用于放大磁场。通过平行相对的磁通聚集器9聚焦磁通，磁通聚集器9的底面所聚焦的磁通线穿过金刚石NV色心薄片样品，可实现磁场增益。

磁场发生模块用于提供稳恒磁场与调制磁场。其中，稳恒磁场的轴线与NV轴共线，用于为金刚石NV色心薄片样品提供幅值为102.4mT的恒定偏置磁场。调制磁场的轴线与NV轴共线和/或垂直，用于对金刚石NV色心薄片样品施加正弦型调制信号，以便测量调制磁场轴线方向上的待测磁场，与NV轴共线的调制磁场可用于实现纵向待测磁场的测量，与NV轴垂直的调制磁场可用于实现横向待测磁场的测量。显然，稳恒磁场、调制磁场及待测磁场所在区域应覆盖磁通聚集器9所在区域，否则磁通聚集器9可能难以对磁场进行放大。

光路系统用于提供绿色泵浦激光入射至金刚石NV色心薄片样品，以及采集金刚石NV色心薄片样品发出的红色荧光。

光电转换模块用于接收红色荧光，将红色荧光转换为电信号并输入数据处理模块。

数据处理模块用于基于磁通聚集器9的磁场放大倍数∈及输入的电信号计算待测磁场。

上述磁力仪在使用时，基于光路系统，金刚石NV色心样品薄片的某一截面入射绿色泵浦激光，将NV色心的自旋态布居极化为激发态|0>，位于此自旋态的NV色心将自发地光跃迁至基态，辐射红色荧光。红色荧光由金刚石NV色心样品薄片的另一截面处被后续的光路系统收集，并由光电转换模块转变为电信号由数据处理模块处理。金刚石NV色心样品薄片在沿NV轴向方向被施加幅值为102.4mT的稳恒磁场，将NV色心的自旋态准备至GSLAC区，由于反交叉的能级结果，绿色泵浦激光的准备结果将有部分NV色心的自旋态光跃迁至|-1>态，这部分自旋态布居的NV色心将经过单重态|e>无辐射跃迁至基态，由此导致红色荧光光强的减弱；荧光光强变化由光电转换模块与数据处理模块捕获与储存，以便进行磁场计算。

本发明中，磁通聚集器放置在NV轴所在方向，将对稳恒磁场幅值起到增益作用，即降低了准备金刚石NV色心自旋态能级能量至GSLAC区所需的、沿NV轴方向的稳恒磁场的幅值需求，也可对纵向待测磁场增益，以提高基于GSLAC原理的金刚石NV色心磁力仪对纵向磁场的测量灵敏度，通过磁通聚集器的增益，该磁力仪可以保持在一定的空间分辨率基础上，探测超出NV磁场灵敏度的微弱磁场。

磁通聚集器的设计应考虑工作过程中引入的磁场噪声应低于金刚石NV色心磁力仪本身的散粒噪声。磁通聚集器对磁场的放大倍数是其体积、间隙宽度与相对磁导率的函数，也与其几何形状相关，如：间隔越小，磁场放大倍数越大，磁场均匀度越好；相对磁导率越高，磁场放大倍数越大。对磁场增益的设计，可以对上述因素通过有限元分析软件寻优。基于对磁通聚集器的优化设计，可以在保持一定的空间分辨率基础上，探测超出金刚石NV色心磁力仪磁场灵敏度的微弱磁场，实现高灵敏度、宽测量范围的磁力测量。

优选地，在一些实施方式中，该磁力仪还可增加一对磁通聚集器，增加的一对磁通聚集器分设在金刚石NV色心薄片样品的两侧，底面与金刚石NV色心薄片样品的侧面平行，对横向待测磁场进行增益，以提高基于GSLAC原理的金刚石NV色心磁力仪对横向磁场的测量灵敏度。

优选地，磁通聚集器可采用一端大一端小的结构，且小的一端更贴近金刚石NV色心薄片样品，即，磁通聚集器的两个底面的面积不等，且面积更小的一端底面靠近金刚石NV色心薄片样品，作为磁通释放端，面积更大的一端相对远离金刚石NV色心薄片样品，作为磁通接收端，从而更好地实现聚焦磁通。

考虑到磁通聚集器的磁场增益应足够大，磁通聚集器优选采用高导磁材料制成，相对磁导率大于1000。更进一步地，磁通聚集器的材料可选用铁氧体或者坡莫合金等高导磁材料。

优选地，如图2(a)至图6(b)所示，单个磁通聚集器的几何形状为长棒状、圆锥状、三角状、T形棒状或角状。长棒状，即长方体棒。三角状，即具有厚度的三角形。T形棒状就形状而言，可以看作由两个同宽同高仅长度不同的、垂直放置的长棒联合而成。角状可类比圆锥状，区别在于角状在对称轴方向不同轴向长度位置轮廓的曲率半径不同，由圆锥顶端轴向方向向下，轮廓的曲率半径很大，且随轴向方向位置变化不大；而接近底端时，轮廓的曲率半径迅速减小，且随轴向方向位置呈非线性(二次方)关系减小。除长棒状的磁通聚集器之外，圆锥状、三角状、T形棒状或角状的磁通聚集器均具有两个面积不等的底面，即，一端大一端小。采用两个几何形状相同的磁通聚集器，且两个磁通聚集器底面对称轴共线，能够获得更好的放大效果。

如图2(a)所示，单个圆锥状磁通聚集器长h1＝8mm，两截面直径分别为L1＝0.2mm和L2＝6mm，如图2(b)所示，一对圆锥状磁通聚集器以蝴蝶形放置，小面积截面指向内部，并留有一定空隙，金刚石NV缺陷薄片样品设于两个圆锥状磁通聚集器截面间。本实施例中，一对圆锥状磁通聚集器相距d＝0.1mm，材料选用铁氧体材料或坡莫合金材料。如图2(c)所示，经计算，对于1uT背景磁场，该形状的一对铁氧体磁通聚集器在间隔中心点处磁场增益大约为102.1，一对坡莫合金磁通聚集器在间隔中心处磁场增益大约为102.51。由于该形状聚磁能力较强，且磁性材料未饱和，在低磁环境下增益相近。

如图3(a)所示，三角状磁通聚集器由上底长L3＝0.1mm，下底长L4＝1.5mm，高为h2＝10mm的平面三角形向平面法线增高t1＝0.5mm获得，如图3(b)所示，一对该形状的磁通聚集器水平放置，两个上底面法线共线，且上底面相距d＝0.1mm。金刚石NV色心样品薄片放置于上底面间，薄片与上底面法线共线。经计算，对于1uT背景磁场，一对铁氧体三角状磁通聚集器在间隔中心位置的增益大约为92.789，一对坡莫合金三角状磁通聚集器在间隔中心位置的增益大约为94.760。

如图4(a)所示，长棒状磁通聚集器的外形为长方体，长、宽、高分别为h3＝10mm、L6＝0.2mm、L5＝0.5mm。如图4(b)所示，一对该形状磁通聚集器相对放置，两个底面法线共线，底面相距d＝0.1mm。金刚石NV色心样品薄片放置在底面间隔中央。经计算，对于1uT背景磁场，一对铁氧体长棒状磁通聚集器在间隔中心位置的增益大约为77.968，一对坡莫合金长棒状磁通聚集器在间隔中心位置的增益大约为81.335。

如图5(a)所示，T形棒状磁通聚集器较长棒状磁通聚集器的优点在于T字形上半部分具有更大的面积，能够聚集更多的磁通，从同样面积的长方形截面释放，以获得更达的增益效果，尺寸为宽L9＝0.2mm，高L10＝0.5mm，横向长度L11＝3mm，纵向长度h4＝10mm，如图5(b)所示，一对T形棒状磁通聚集器的底端相对放置，对称轴共线，底面相距d＝0.1mm，金刚石NV色心样品薄片放置在底面间隔中央。经计算，对于1uT背景磁场，一对铁氧体T形棒状磁通聚集器在间隔中心位置的增益大约为97.967，一对坡莫合金T形棒状磁通聚集器在间隔中心位置的增益大约为92.594。

如图6(a)所示，本实施例中所用角状磁通聚集器尺寸为：上底面直径为L7＝0.1mm，下底面直径为L8＝3mm，轴向长度为h5＝10mm，该形状磁通聚集器同样是长棒状磁通聚集器的改进，通过增大磁通接收端(即下底面)表面积以聚集更多的磁通，在相同面积的释放端(即上底面)将会得到更大的磁场增益。如图6(b)所示，一对角状磁通聚集器相对放置，上底面指向内部，两个上底面法线共线，相距d＝0.1mm。经计算，对于1uT背景磁场，一对坡莫合金角状磁通聚集器在间隔中心处的磁场增益大约为98.697，一对铁氧体角状磁通聚集器在间隔中心处的磁场增益大约为84.742。上述“上底面”、“下底面”仅用于区分磁通聚集器两个面积不等的底面，上底面为其中面积更小的底面，下底面为面积更大的底面，不代表两个底面之间的方位关系。

优选地，该磁力仪中，磁场发生模块包括一对恒流线圈和至少一对亥姆霍兹线圈，均设于磁通聚集器的外侧。其中，一对恒流线圈分设于磁通聚集器的两侧，用于提供稳恒磁场，恒流线圈的轴线与NV轴共线，产生的稳恒磁场幅值为

∈表示磁通聚集器的磁场放大倍数(即一对磁通聚集器对磁场的增益)。根据金刚石NV色心磁力仪的理想体积设计产生稳恒磁场所用恒流线圈大小与间距，双恒流线圈绕制方式一致并通有同向电流，该间距应满足产生的磁场的均匀区面积大于磁通聚集器最大轴向截面的面积。通过恒流线圈与磁通聚集器，可改善线圈磁场均匀性差，NV轴向磁场分量不均匀的问题。

每一对亥姆霍兹线圈分设于磁通聚集器的两侧，亥姆霍兹线圈的轴线与NV轴共线或垂直，用于提供调制磁场，调制磁场的幅值可根据实际情况进行设置。当一对亥姆霍兹线圈的轴线与NV轴共线，该对亥姆霍兹线圈优选设置在一对恒流线圈的内侧。上述“内侧”、“外侧”是相对于金刚石NV色心薄片样品的方位词，相对靠近金刚石NV色心薄片样品即为“内侧”，相对远离金刚石NV色心薄片样品即为“外侧”。

进一步地，为实现三维磁场的测量，磁场发生模块包括三对亥姆霍兹线圈，其中一对亥姆霍兹线圈设置在一对恒流线圈之间，轴线与NV轴共线，另两对亥姆霍兹线圈的轴线相互垂直，且均与NV轴垂直。设NV轴为z轴，则一对亥姆霍兹线圈的轴线为z轴，另两对亥姆霍兹线圈的轴线可分别设为x轴与y轴，以便实现三维磁场测量。恒流线圈的大小与间距的设计也应参考亥姆霍兹线圈体积。

优选地，磁场发生模块还包括稳恒电流源14、任意波形发生器11和功率放大器12。其中：

稳恒电流源14用于对恒流线圈供电；任意波形发生器11用于产生调制电压信号；功率放大器12用于对任意波形发生器11产生的调制电压信号进行放大并转为电流输出，依据所需产生的调制磁场输入对应的亥姆霍兹线圈，用于产生特定方向与频率的调制磁场。

进一步地，对于三轴调制磁场(即磁场发生模块包括三对亥姆霍兹线圈)，如图1所示，磁场发生模块包括两个任意波形发生器11、三个功率放大器12和一个移相器13。其中：

一个任意波形发生器11用于产生对应纵向调制磁场(Bz_modulate)的调制电压信号，另一个任意波形发生器11用于产生对应横向的、y轴方向的调制磁场(By_modulate)的调制电压信号。三个功率放大器12分别对应三轴方向的调制磁场(Bz_modulate、By_modulate、Bx_modulate)。一个移相器13设置在用于产生y轴方向调制磁场的调制电压信号的任意波形发生器11与对应x轴的功率放大器12之间，用于产生以该任意波形发生器11相位为参考相位偏移任意相位得到的电压信号，该电压信号经对应x轴的功率放大器12转换后，输入沿x轴方向放置的亥姆霍兹线圈，以产生x轴方向的调制磁场。需要说明的是，x、y轴为设置的坐标轴，二者之间可互换。

优选地，如图1所示，该磁力仪中，光路系统包括激光器1、声光调制器2、分束器4、照明物镜5、成像物镜6、滤光片7、管镜8、第一光电倍增管15和两个聚焦透镜3。其中：

激光器1用于发射波长为532nm的绿色泵浦激光；

声光调制器2用于对激光器1出射的绿色泵浦激光进行强度控制与调制；两个聚焦透镜3分别设置于声光调制器2的两侧，靠近激光器1的聚焦透镜3用于聚焦输入声光调制器2的绿色泵浦激光，另一个聚焦透镜3用于矫直输出声光调制器2的绿色泵浦激光，对调制后的绿色泵浦激光进行准直与扩束。

分束器4置于声光调制器2出射口处放置的聚焦透镜3后，用于分束，一路矫直后的绿色泵浦激光通过第一光电倍增管15后反馈至声光调制器2进行PID算法控制，形成负反馈，另一路矫直后的绿色泵浦激光入射照明物镜5，经照明物镜5聚焦后入射金刚石NV色心样品薄片；

照明物镜5置于分束器4与金刚石NV色心样品薄片之间，照明物镜5的出射端对准金刚石NV色心样品薄片，用于将532nm激光聚焦至金刚石NV色心样品薄片；

成像物镜6置于金刚石NV色心样品薄片另一侧，与照明物镜一同构成4f系统，用于将金刚石NV色心样品薄片处由于跃迁发出的红色荧光与透射的绿色泵浦激光进行收集，并准直为平行光，将平行的混合光导向后续光路；

滤光片7设于成像物镜6的出射口，用于滤除混合光中的532nm绿色泵浦激光，提高红色荧光的光强对比度；

管镜8设于滤光片7与光电转换模块之间，用于对红色荧光进行收集与聚焦，以便输入光电转换模块。

显然，光路系统中还包括调整架与连接件，用于对上述各光学器件进行支撑与连接，此部分可参考现有技术，在此不再进一步限定。

优选地，光电转换模块包括第二光电倍增管19，第二光电倍增管19置于管镜8的出射口，用于实现对红色荧光的接收与转换，即实现光信号与电信号的转换，为后续数据处理提供电信号。

优选地，数据处理模块包括锁相放大器16、数据采集卡17和上位机18。其中，锁相放大器16用于对光电转换模块输出的电信号进行解调，得到调制磁场在待测磁场处调制出的光强变化所对应的电压幅值，并输出，锁相放大器16的参考频率与相位可来自任意波形发生器12所提供的调制电压信号。数据采集卡17用于对锁相放大器输出的电压幅值进行采样并储存，方便后续的数字计算。上位机18用于基于数据采集卡采样的数据，计算待测磁场。上位机18可对锁相放大器16输出的电压幅值处理、绘图与反馈，反馈至声光调制器及后续调制磁场发生模块。上位机18还用于根据输入指令生成相应的控制指令并发送，实现对磁力仪的调控。

本发明还提供了一种磁场测量方法，采用如上述任一项实施方式的基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，包括如下步骤：

S1、获取磁通聚集器的磁场放大倍数∈；

S2、启动无微波金刚石NV色心磁力仪，对金刚石NV色心薄片样品施加稳恒磁场与调制磁场，收集金刚石NV色心薄片样品发出的红色荧光，经处理得到相应的电压幅值；其中，稳恒磁场的幅值为

S3、基于得到的电压幅值与磁通聚集器的磁场放大倍数∈，计算相应的待测磁场的幅值。

调制磁场与稳恒磁场叠加导致的红色荧光光强变化由光电转换模块与数据处理模块采集、转换与解调，解调后的信号是根据磁场变化的电压信号，该信号的线性区内电压幅值与纵向磁场成线性关系，即V＝kB′_z。

考虑磁通聚集器的增益效果∈，计算得到NV轴向磁场分量，即纵向磁场，的大小为：

其中V为解调后得到的电压幅值，k为线性区内电压幅值与磁场强度的线性比例，∈为磁通聚集器的磁场放大倍数。

同时，垂直NV轴向方向的磁场分量，即横向磁场幅值，也将引起跃迁致辐射光强的变化，当垂直NV轴向方向的磁场分量为0时，辐射光强在横向磁场幅值基准上最大；随垂直NV轴向方向的磁场分量非零且绝对值增大时，辐射光强随之减小。

若磁力仪中，磁场发生模块包括一对恒流线圈和至少一对亥姆霍兹线圈，一对恒流线圈、一对亥姆霍兹线圈的对称轴均与NV轴共线，即，均沿z轴，该沿z轴方向放置的调制亥姆霍兹线圈对金刚石NV色品样品薄片施加频率为kHz级别的正弦型调制磁场信号，调制磁场信号幅值应该考虑磁通聚集器的磁场增益效果而相应地减小。调制磁场信号频率应与后级的锁相放大器匹配，幅值应高于锁相放大器的最小可探测值。

优选地，采用如上述磁力仪测量纵向待测磁场，步骤S2中施加沿z轴方向的稳恒磁场与调制磁场(且不施加横向调制磁场)，经处理得到相应的电压幅值，步骤S3进一步包括：

基于得到的电压幅值与磁通聚集器的磁场放大倍数∈，得到纵向待测磁场的表达表示为：

其中，V为解调后得到的电压幅值，k为线性区内电压幅值与磁场强度的线性比例，∈为磁通聚集器的磁场放大倍数。

对于如图1所示磁力仪，一个任意波形发生器11用于产生对应纵向调制磁场(Bz_modulate)的调制电压信号，由任意波形发生器11输出的调制信号经由功率放大器12与NV轴向调制亥姆霍兹线圈发生沿NV轴向的调制磁场，在稳恒磁场与待测磁场在NV轴向方向的分量，该分量大小需处于磁力仪可探测范围内，共同作用得到的原有光强基础上，调制磁场将引起合成磁场的微弱变化，导致光强的微弱变化。

光强变化由第二光电倍增管19采集与转换，输出的电信号由锁相放大器16解调，得到光强信号在合成磁场大小下的微分，即恒定电压值，其数值大小与合成磁场的幅值成线性关系，即：

V＝kB′_z

其中，V为锁相放大器输出的恒定电压值(即锁相放大器解调后得到的电压幅值)，k为线性区的线性度，B′_z为经磁通聚集器增益后待测磁场在z方向的分量。

该电压值的正负则表示了待测磁场分量在该方向的正负；

因此，待测磁场在z方向的、除去磁场增益因素后分量可以表示为：

若磁力仪中，磁场发生模块包括一对恒流线圈和三对亥姆霍兹线圈，一对恒流线圈、一对亥姆霍兹线圈的对称轴均与NV轴共线，即，均沿z轴，另两对亥姆霍兹线圈的对称轴分别沿x轴、y轴。

优选地，采用如上述磁力仪测量横向待测磁场，步骤S2中施加沿z轴方向的稳恒磁场(但不施加纵向调制磁场)，分时施加沿x轴方向和y轴方向的调制磁场，即，先施加沿x轴方向的调制磁场再施加沿y轴方向的调制磁场，或，先施加沿y轴方向的调制磁场再施加沿x轴方向的调制磁场，经处理得到相应的电压幅值；步骤S3进一步包括：

基于得到的电压幅值与磁通聚集器的磁场放大倍数∈，得到横向待测磁场的表达表示为：

相应地，对于三维空间的磁场，任意方向的矢量磁场的测量结果可表示为：

其中，V_x为施加沿x轴方向的调制磁场解调后得到的电压幅值，V_y为施加沿y轴方向的调制磁场解调后得到的电压幅值，V_z是(测量纵向待测磁场时)施加沿z轴方向的调制磁场解调后得到的电压幅值。

进一步地，为简化测量过程，对于如图1所示的磁力仪，步骤S2中施加沿z轴方向的稳恒磁场(但不施加纵向调制磁场)，同时施加沿x轴方向和y轴方向的调制磁场，其中，移相器13用于产生以任意波形发生器11相位为参考相位偏移任意相位得到的电压信号，由任意波形发生器11输出的相同频率的调制信号，经由功率放大器12与x轴、y轴方向调制亥姆霍兹线圈分别发生x轴、y轴方向的调制磁场，即，两对亥姆霍兹线圈以其一调制磁场的相位为基准，另一调制磁场的相位在前者的基础上加以随时间偏移，实现两个调制磁场合成一个围绕z轴旋转的合成调制磁场。

合成调制磁场与待测磁场在合成调制磁场方向的分量的叠加导致红色荧光光强变化。光强变化由第二光电倍增管19采集与转换，输出的电信号在时域上为幅值与相位分别随待测磁场的幅值与矢量方向变化的交变信号，其由锁相放大器16解调，锁相放大器16以y轴调制磁场对应的任意波形发生器11的相位为参考，解调得到两组数据V与θ，其中V代表变化光强信号对应的电压幅值，θ代表变化光强信号相对于y轴调制磁场的相位。

变化光强信号对应的电压幅值的数值大小与待测磁场幅值成线性关系，即：

V＝kB

其中，k为线性区的线性度，B为待测磁场的幅值；

因此，步骤S3进一步包括：

基于得到的电压幅值与磁通聚集器的磁场放大倍数∈，得到横向待测磁场的表达表示为：

相应地，对于三维空间的磁场，任意方向的矢量磁场的测量结果可表示为：

其中，V表示同时施加沿x轴方向和y轴方向的调制磁场解调后得到的电压幅值，V_z是(测量纵向待测磁场时)施加沿z轴方向的调制磁场解调后得到的电压幅值。

本发明提供的金刚石NV色心磁力仪，除减小了产生稳恒磁场所需功率的优点外，对于现有的无微波金刚石NV色心磁力仪的噪声谱优化也有一定的指导意义：一方面，由于产生稳恒磁场的功率需求降低，恒流线圈所需电流的幅值也相应降低，同时恒流线圈电流引入的电流散粒噪声也相应降低，表现在磁力仪的效果为磁力仪所处位置的磁场噪声谱低频噪声下降，低频磁场探测的灵敏度提高；另一方面，考虑磁通聚集器也会引入磁场噪声，但由有限元分析软件的仿真计算，磁通聚集器引入的磁场噪声水平远低于金刚石NV色心磁力仪的本底噪声，以一对圆锥状磁通聚集器为例，在1Hz时，采用坡莫合金材料，磁场噪声约为

采用铁氧体材料，磁场噪声约为

在100Hz时，采用坡莫合金材料与铁氧体材料，磁场噪声分别为

与

此外，磁通聚集器由于其磁场增益效果，将磁力仪灵敏度水平以下的待测磁场增益至可测量范围，在确保磁通聚集器引入的噪声水平不会干扰磁力仪正常工作的基础上，磁通聚集器的应用又可提高金刚石NV色心磁力仪的测量灵敏度。

本发明提供的磁通聚集器对于其他磁场传感器也有相同效果，对于本实施例中x轴、y轴方向的磁场同样有相同的优化效果，本实施例中所涉及的光路设计与磁通聚集器使用方案，仅考虑为详细介绍本发明技术方案而提出的范例，对于其他光路的设计与磁通聚集器使用方案，例如对红色荧光的采集面的选择、对金刚石NV色心样品薄片加设反射面以提高光强对比度，以及磁通聚集器的组合与放置方式等，在不脱离本文的技术方案的范围与精神的情况下，属于本发明改进延伸方案之一。

综上所述，本发明对基于GSLAC原理的金刚石NV色心磁力仪增设磁通聚集器，以降低对稳恒磁场幅值水平的需求，并提供了基于磁通聚集器的GSLAC原理金刚石NV色心磁力仪，包括但不限于使用上述形状的磁通聚集器。本发明还基于有磁通聚集器的金刚石NV色心磁力仪提供了磁场测量方法，包括对纵向磁场的测量方案与对横向磁场的测量方案。经验证，本发明涉及的磁通聚集器可对稳恒磁场实现几十倍的增益，且通过对磁通聚集器的尺寸、形状与间隙距离的设计，可以获得宽数值范围的增益，对应的，对于稳恒磁场也获得了宽数值范围的设计可能性。除此之外，本发明涉及的磁通聚集器也改善了基于GSLAC原理的金刚石NV色心磁力仪的低频段磁场噪声水平，并可将金刚石NV色心磁力仪的测量灵敏度提高至亚皮特量级水平。

最后应说明的是：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)

1.一种基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，其特征在于，包括：

光路系统、磁场发生模块、光电转换模块、数据处理模块、金刚石NV色心样品薄片以及一对相同的磁通聚集器；

一对所述磁通聚集器同轴相对间隔设置，所述金刚石NV色心样品薄片设于一对所述磁通聚集器的间隙中央，所述磁通聚集器的底面与所述金刚石NV色心薄片样品的底面平行，轴线与所述金刚石NV色心样品薄片的NV轴共线，用于放大磁场；

所述磁场发生模块用于提供稳恒磁场与调制磁场；所述稳恒磁场的轴线与NV轴共线，用于为所述金刚石NV色心薄片样品提供幅值为102.4mT的恒定偏置磁场；所述调制磁场的轴线与NV轴共线和/或垂直，用于对所述金刚石NV色心薄片样品施加正弦型调制信号；

所述光路系统用于提供绿色泵浦激光入射至所述金刚石NV色心薄片样品，以及采集所述金刚石NV色心薄片样品发出的红色荧光；

所述光电转换模块用于接收红色荧光，将红色荧光转换为电信号并输入所述数据处理模块；

所述数据处理模块用于基于所述磁通聚集器的磁场放大倍数及输入的电信号计算待测磁场。

2.根据权利要求1所述的基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，其特征在于：

所述磁通聚集器的两个底面的面积不等，且面积更小的底面靠近所述金刚石NV色心薄片样品。

3.根据权利要求1所述的基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，其特征在于：

所述磁通聚集器采用高导磁材料制成，相对磁导率大于1000。

4.根据权利要求1所述的基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，其特征在于：

单个所述磁通聚集器的几何形状为长棒状、圆锥状、三角状、T形棒状或角状。

5.根据权利要求1所述的基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，其特征在于：

所述磁场发生模块包括一对恒流线圈和至少一对亥姆霍兹线圈；

一对所述恒流线圈分设于所述磁通聚集器的两侧，用于提供所述稳恒磁场，轴线与NV轴共线，产生的所述稳恒磁场幅值为

∈表示磁通聚集器的磁场放大倍数；

每一对所述亥姆霍兹线圈分设于所述磁通聚集器的两侧，轴线与NV轴共线或垂直，用于提供所述调制磁场。

6.根据权利要求5所述的基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，其特征在于：

所述磁场发生模块包括三对亥姆霍兹线圈，其中一对所述亥姆霍兹线圈设置在一对所述恒流线圈之间，轴线与NV轴共线，另两对所述亥姆霍兹线圈的轴线相互垂直，且均与NV轴垂直。

7.根据权利要求5所述的基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，其特征在于：

所述磁场发生模块还包括：稳恒电流源、任意波形发生器和功率放大器；

所述稳恒电流源用于对所述恒流线圈供电；

所述任意波形发生器用于产生调制电压信号；

所述功率放大器用于对所述任意波形发生器产生的调制电压信号进行放大并转为电流输出，依据所需产生的调制磁场输入对应的亥姆霍兹线圈。

8.根据权利要求1所述的基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，其特征在于：

所述光路系统包括激光器、声光调制器、分束器、照明物镜、成像物镜、滤光片、管镜、第一光电倍增管和两个聚焦透镜；

所述激光器用于发射波长为532nm的绿色泵浦激光；

所述声光调制器用于对绿色泵浦激光进行强度控制与调制；两个聚焦透镜分别设置于所述声光调制器的两侧，靠近所述激光器的所述聚焦透镜用于聚焦输入所述声光调制器的绿色泵浦激光，另一个所述聚焦透镜用于矫直输出所述声光调制器的绿色泵浦激光；

所述分束器用于分束，一路矫直后的绿色泵浦激光通过第一光电倍增管后反馈至所述声光调制器进行PID算法控制，另一路入射所述照明物镜，经聚焦后入射所述金刚石NV色心样品薄片；

所述成像物镜与所述照明物镜构成4f系统，用于将所述金刚石NV色心样品薄片处由于跃迁发出的红色荧光与透射的绿色泵浦激光进行收集，并准直为平行光；

所述滤光片设于所述成像物镜的出射口，用于滤除绿色泵浦激光，提高红色荧光的光强对比度；

所述管镜设于所述滤光片与所述光电转换模块之间，用于对红色荧光进行收集与聚焦。

9.根据权利要求1所述的基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，其特征在于：

所述数据处理模块包括锁相放大器、数据采集卡和上位机；

所述锁相放大器用于对所述光电转换模块输出的电信号进行解调，得到所述调制磁场在待测磁场处调制出的光强变化所对应的电压幅值，并输出；

所述数据采集卡用于对所述锁相放大器输出的电压幅值进行采样并储存；

所述上位机用于基于所述数据采集卡采样的数据，计算待测磁场。

10.一种磁场测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的基于磁通聚集器的无微波金刚石NV色心磁力仪，包括如下步骤：

S1、获取磁通聚集器的磁场放大倍数∈；

S2、启动所述无微波金刚石NV色心磁力仪，施加稳恒磁场与调制磁场，收集金刚石NV色心薄片样品发出的红色荧光，经处理得到相应的电压幅值；其中，所述稳恒磁场的幅值为

S3、基于得到的电压幅值与磁通聚集器的磁场放大倍数∈，计算相应的待测磁场的幅值。

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