CN114279479B - 基于微波激光的固态量子传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于微波激光的固态量子传感器。方法的核心是利用微波激光技术进行测量，并通过反馈回路提供自激微波。具体实现方法包括：利用激光对增益介质进行激发，初始化到理想的量子态；通过反馈回路提供自激微波进入谐振腔，与增益介质发生相互作用引起信号变化；调节激光能量，使输出微波信号达到微波激光阈值；改变谐振腔的频率，利用测量电路采集不同频率下谐振腔输出的微波信号；将信号进行分析得到增益介质能级变化引起的共振频率偏移，从而对所施加的磁场、电场、温度和压力等物理参数进行精密测量。本发明解决了现有技术中的非均匀展宽和读出方案限制灵敏度提高的问题，实现了单次读出，有望实现小型化的固态量子传感器。

Description

基于微波激光的固态量子传感器

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，尤其涉及一种基于微波激光的固态量子传感器。

背景技术

量子精密测量作为一种新兴技术，发展迅速，在化学材料、生物医疗、能源工程和食品安全等多个领域具有广阔的应用前景。量子精密测量的基本原理是利用磁、光与原子的相互作用，实现对各种物理量的超高精度测量。目前已经实现原子(囚禁离子)、超导电路和固态自旋等量子体系在不同尺度、不同温度下对物理量的高灵敏度和精确度测量。其中，固态自旋体系由于其能够工作于室温大气环境与高灵敏度等优点，已经成为越来越受欢迎的超灵敏量子传感平台，在鲁棒性、生物相容性和空间分辨率方面优于其他系统。固态自旋传感器利用其存在的自旋中心缺陷，感知物理量，从而实现对磁场、电场、温度和压力等多个物理参数的高灵敏度测量。

传统的固态自旋传感器利用光源对固态自旋传感器内的一个或多个自旋中心缺陷进行光激发辐射，使其产生荧光，再通过光传感器收集荧光信息。同时，也可以使用微波辐射操控自旋中心缺陷的量子能级之间的布局。通过光激发和微波辐射可以将待测物理量的信息编码到自旋中心缺陷发出的荧光中，分析光学读出的荧光信息便可以得到待测物理量。金刚石氮-空位色心(NV色心)是固态自旋传感器的代表性体系，具有易于初始化和读出、可操控、电子自旋相干时间长等优点，因此基于该体系的量子传感得到了快速发展。

目前，固态自旋传感器发展迅猛，在测量多种物理参数方面都取得了重大进展。同时，该技术也面临巨大的挑战。系综自旋体系因其在提高灵敏度方面的优势广泛应用于固态自旋传感器。但是，固态自旋系综传感器在实现灵敏度接近量子投影噪声极限的道路上还存在两个障碍。首先，固态系综中自旋数量的增加不可避免地引入了单个自旋局部环境的复杂性和变化，表现为系综的非均匀线宽的展宽。非均匀展宽是限制斜率探测灵敏度的一个重要因素。斜率探测技术多用于测量缓慢变化的物理量，如直流磁场和生物温度变化。因此，采用斜率探测技术的固态自旋系综传感器的性能在上述应用场景下会有一定程度的下降。虽然，拉姆齐序列和脉冲光学探测磁共振等脉冲技术已经被应用于抑制非均匀展宽，但是，固态自旋系综传感器还缺乏有效的读出方案，进一步限制了其灵敏度。基于自旋依赖光致发光检测的光学读出技术是目前最常用的读出技术，但由于存在光子噪声，因此读出的保真度较低。尽管对于自旋系综来说，收集光子的平均数量增加，提高了信噪比。但由于背景杂化和退相干效应的影响，光学读出保真度并没有得到改善。这使得固态自旋系综传感器的灵敏度受到光子散粒噪声的限制，比量子投影噪声极限差两个数量级。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种基于微波激光的固态量子传感器。

本发明提出的一种基于微波激光的固态量子传感器利用激光对增益介质进行激发，通过反馈回路提供自激微波进入谐振腔，调节激光能量达到微波激光阈值，再通过测量电路读出谐振腔输出的微波信号，将信号进行分析得到增益介质能级变化引起的共振频率偏移，从而对所施加的磁场、电场、温度和压力等物理参数进行精密测量。

进一步地，本发明的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，包括：

初始化：施加激光对增益介质进行光激发，使其形成理想的量子态；

自激微波信号输入：使用反馈回路产生的自激微波沿线路进入谐振腔内，微波与增益介质的相互作用引起谐振腔内微波信号的变化；

激光调节：调节激光能量，使谐振腔输出的微波信号达到微波激光阈值；

读出：改变谐振腔的频率，利用测量电路采集不同频率下谐振腔输出的微波信号；

测量：分析采集的信号，得到增益介质能级变化引起的共振频率偏移，执行待测物理参数的精密测量。

进一步地，本发明的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，通过反馈回路产生的自激微波频率与谐振腔的频率相同，调节谐振腔的频率时，自激微波频率同时发生变化。

进一步地，本发明的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，以谐振腔的频率调到增益介质的共振频率附近时所输出的微波信号达到微波激光阈值为准，来调节激光能量。

进一步地，本发明的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，自激微波信号通过耦合天线处于欠耦合的一端进入谐振腔，采集的微波信号通过谐振腔过耦合天线的一端输出。

本发明的另一方面提出一种基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，包括：

泵浦光源：用于提供合适的激光，激发增益介质；

光电探测器：用于触发示波器；

谐振腔模块：用于增强微波与增益介质之间的相互作用；

反馈回路模块：用于产生自激微波，并传输到谐振腔中，操控增益介质的电子自旋态；

测量电路模块：用于读出谐振腔输出的微波信号；

微波分析仪：用于监测自激微波信号的功率和频率；

示波器：用于信号的采集。

进一步地，本发明的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，谐振腔模块包括增益介质、介电谐振器、铜封闭外壳和耦合天线。增益介质提供系综自旋体系，可以是并五苯掺杂的对三联苯有机晶体，或含有氮空位缺陷的金刚石晶体等合适的固态自旋体系。介电谐振器提供高的品质因子Q，形成谐振结构，可以由钛酸锶、蓝宝石、烧结微波陶瓷材料或其他合适材料制成。铜封闭外壳上端有一个“活塞式”调谐旋钮，用于调节谐振腔的频率。

进一步地，本发明的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，反馈回路模块包括放大微波信号的放大器、滤除微波信号中杂散信号的带通滤波器、形成信号单向传输回路的隔离器、调节反馈回路路径长度的移相器、调节自激微波信号功率的衰减器，将信号部分耦合到微波分析仪的定向耦合器，分出部分信号到测量电路的功分器。

进一步地，本发明的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，测量电路模块包括测量输出微波信号功率的对数放大器，以及防止信号饱和或损坏探测器的衰减器。

进一步地，本发明的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，包括放置在谐振腔附近的提供待测物理量的器件，比如磁铁。

本发明提出的基于微波激光的固态量子传感器，具有如下有益效果：

(1)由于微波激光的作用，系综自旋体系的非均匀线宽明显变窄，可以延长其退相干时间；同时，信号幅度得到很大的提高，进一步提升了信噪比，因此能够实现更高灵敏度的测量。

(2)相较于传统光学读出的方式，基于微波激光的固态量子传感器所采用的读出技术可以有效改善读出效率低下的问题，读出保真度接近于100％，并且可以实现单次读出，有效缩短了读出时间。

(3)本发明所述实验装置可以集成化，有望实现小型化的固态量子传感器。

附图说明

附图用于更好地理解本方案，不构成对本公开的限定。其中：

图1是本发明的微波激光的基本原理图；

图2是本发明的系综自旋共振信号受微波激光影响的示意图；

图3是本发明的微波激光阈值行为的模拟图；

图4是本发明的系综自旋共振信号在阈值以上(或下)的模拟图；

图5是本发明的执行物理参数测量的实现方法的流程图；

图6是本发明一个实施例的增益介质的晶体结构图；

图7是本发明一个实施例的增益介质的能级结构图；

图8是本发明一个实施例的固态量子传感器的实验装置图；

图9是零场下并五苯|X>和|Z>态跃迁的非对称线形测量结果；

图10是零场下并五苯|X>和|Z>态跃迁的非对称线形模拟结果；

图11是本发明一个实施例与其他研究条件下得到的并五苯零场线形低频侧HWHM的比较；

图12是B₀＝66μT时并五苯|X>和|Z>态跃迁的信号测量结果；

图13是频率为1448.45MHz时测量的信号随外加磁场变化的结果图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明技术方案的原理及实验装置的使用方法进行详细叙述。

微波激光，即微波受激辐射放大，由于其放大微波信号的能力而被广泛应用于通信和射电天文学。微波激光利用原子束、蒸汽或固态体系中的缺陷作为增益介质，通过光泵浦形成粒子数反转，发生受激辐射，对微波进行放大，发出高强度的相干辐射微波。

当增益介质为固态系综自旋体系时，微波激光的基本原理如图1所示，考虑固态自旋系综具有N个二能级自旋系统，谐振腔中处于粒子数反转的自旋与入射的微波光子相干耦合，发生受激辐射。如果反转自旋数N大于达到激射阈值所需要的自旋数量，那么探测到的微波光子数量就会显著增加，从而形成微波激光。对于非均匀展宽的固态自旋系综，系综自旋共振信号在微波激光的影响下发生变化，如图2所示。当无微波激光发生时，自旋在不同的频率下发生共振，出现多个自旋包，组合形成系综自旋共振谱。如果反转自旋数大于阈值自旋数，相应频率的信号在微波激光作用下大幅度增强，所观测到的线宽明显变窄。

基于Lotka-Volterra模型对微波激光引起的线宽变窄和信号增强现象进行模拟，该模型由一对一阶非线性微分方程组成，如公式(1)所示：

其中N和n为谐振腔电磁模式下的反转自旋数和微波光子数，它们的衰减率分别用γ_s和κ_c表示。B是受激发射的爱因斯坦系数。为了求解该模型，基于对并五苯三重态自旋体系的研究，考虑自旋-晶格弛豫和退相干过程，得到γ_s＝4×10⁴s^-1；同时，根据先前基于钛酸锶(STO)的并五苯微波激光器的研究，可以得到B＝11×10^-8s^-1，κ_c＝2.1×10⁶s^-1。简单起见，在稳态下求解该模型，即

这样，在n和N＞0的条件下，可以得到反转自旋数和微波光子数之间的变化关系，如公式(2)所示：

基于公式(2)，分析得到谐振腔内的微波光子数随着反转自旋数的增加呈非线性增加的趋势，如图3所示。我们选取图3中反转自旋数处于阈值以上和阈值以下区域的两个点，分别是N＝2.0×10¹¹，N＝6.0×10¹²。然后在共振附近模拟其非均匀展宽，得到反转自旋数N(ω)分布的洛伦兹线形；结合公式(2)，得到两种情况下微波光子数n(ω)的分布。模拟结果如图4所示，相较于自旋数低于阈值的情况，当自旋数超过阈值时，受微波激光的影响，观测信号的线宽明显变窄，信号强度大幅度提升，提高了信噪比。因此，通过将微波激光技术融入到量子精密测量中，可以实现更高灵敏度的测量。

如图5，本发明的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，主要分为以下部分：

S501，初始化：施加激光对增益介质进行光激发，使其形成理想的量子态；

S502，自激微波信号输入：使用反馈回路产生的自激微波沿线路进入谐振腔内，微波与增益介质的相互作用引起谐振腔内微波信号的变化；

S503，激光调节：调节激光能量，使谐振腔输出的微波信号达到微波激光阈值；

S504，读出：改变谐振腔的频率，利用测量电路采集不同频率下谐振腔输出的微波信号；

S505，测量：分析采集的信号，得到增益介质能级变化引起的共振频率偏移，执行待测物理参数的精密测量。

本发明提出的基于微波激光的固态量子传感器，增益介质可以是并五苯掺杂的对三联苯有机晶体，或含有氮空位缺陷的金刚石晶体等合适的固态自旋体系。作为第一个室温固态微波激光器所使用的增益介质，并五苯掺杂的对三联苯晶体因其优异的量子特性在后续微波激光的研究中被广泛使用。

并五苯掺杂的对三联苯晶体结构如图6所示，并五苯分子取代对三联苯分子，掺杂到对三联苯的单斜晶胞中。并五苯有机分子的光激发三重态的自旋动力学行为是其作为微波激光增益介质的基础。并五苯分子的能级结构如图7所示，施加590nm激光脉冲，可以将并五苯单线态的自旋从基态S₀激发到第一激发态S₁；接着，自旋通过系统间交叉(ISC)跃迁到第二三重态T₂；然后通过内转换过程(IC)快速衰减到最低三重态T₁；自旋处于T₁三重态的寿命相对较长，最终仍通过ISC过程无辐射衰减到基态S₀。零场下，T₁三重态的子能级是非简并的，自旋数以0.76∶0.16∶0.08的比例分布在|X>，|Y>和|Z>态。|X>和|Z>态之间的能极差为～1.45GHz，且处于布局反转，因此能够产生频率为～1.45GHz的微波激光。

本发明的一个实施例中采用布里奇曼法生长的0.1％浓度并五苯掺杂的对三联苯晶体。晶体经切割打磨，高为7.2mm，宽为4mm，平均厚度为1.5mm，以便放置在设计的谐振腔中。

本发明提出的一种基于微波激光的固态量子传感器的实验装置如图8所示，包括光路模块、谐振腔模块、反馈回路模块、测量电路模块和信号采集模块。

光路模块包括可快速开关的泵浦光源和光电探测器。

泵浦光源用于提供合适的激光，激发增益介质。本实施例中光源配置为产生590nm激光脉冲的光学参量振荡器，脉冲持续时间为7ns，用于激发并五苯掺杂的对三联苯晶体。在具体的实施例中激光配置根据增益介质的性质和实验的需求而定。

光电探测器用于触发示波器。光电探测器放置在激光到达样品之前，探测激光脉冲，然后提供给示波器一个触发信号。

本实施例中还包括一个透镜，放置在谐振腔前面，用于将激光聚焦到2mm，通过谐振腔侧壁的4mm小孔进入腔内，提高激光的使用效率。在一些实施例中，可以不配置透镜。

谐振腔模块包括增益介质、介电谐振器、铜封闭外壳和耦合天线。

增益介质用于提供合适的固态系综自旋体系。本实施例中使用0.1％浓度并五苯掺杂的对三联苯晶体。

介电谐振器提供高的品质因子Q，形成谐振结构。本实施例中使用一个内径5mm，外径12mm，高7.5mm的单晶STO环。STO环通过一个高10.5mm的聚苯乙烯支架固定在腔体中。在某些实例中，介电谐振器也可以由蓝宝石、烧结微波陶瓷材料或其他合适材料制成。

本实施例中铜封闭外壳是一个内径40mm，内高31mm的圆柱形无氧铜腔，腔体上端有一个“活塞式”调谐旋钮，通过改变STO环和腔体顶部之间的距离，从而调节谐振腔中TE_01δ模式的频率。在腔内插入两个环路天线，分别作为欠耦合输入端口和过耦合输出端口。

反馈回路模块用于产生自激微波，并传输到谐振腔中，操控增益介质的电子自旋态。在一些实施例中，包括放大微波信号的放大器、滤除微波信号中杂散信号的带通滤波器、形成信号单向传输回路的隔离器、调节反馈回路路径长度的移相器、调节自激微波信号功率的衰减器，将信号部分耦合到微波分析仪的定向耦合器，分出部分信号到测量电路的功分器。本实施例中还有一个限幅器，防止信号过高超出测量带宽。

测量电路模块用于读出谐振腔输出的微波信号。在一些实施例中，包括测量输出微波信号功率的对数放大器，以及防止信号饱和或损坏探测器的衰减器。

信号采集模块包括微波分析仪和示波器。微波分析仪连接到反馈回路中的定向耦合器，用于监测自激微波信号的功率和频率。示波器用于采集经对数放大器测量得到的微波信号。

本发明的一个实施例通过线形测量，对外加磁场进行传感，实现了基于微波激光的固态磁力仪。

对于线形测量，首先，将制备的0.1％浓度的并五苯掺杂的对三联苯晶体装入STO环孔内，解离面垂直排列。反馈回路产生的自激微波用可调衰减器、移相器和谐振腔的调谐螺杆进行调节，输入谐振腔的微波功率设置为-9dBm，频率从1439.375MHz变化到1457MHz。接着，使用590nm的激光脉冲激发增益介质，在偏共振时自激微波的频率以500kHz的步进扫描，在近共振时以50kHz的步进扫描。输出的微波信号功率利用对数放大器进行读出，再通过示波器采集。由于对数放大器有限的动态范围(55dB)和微波激光过程对信号的显著增强，在对数放大器前端增加10dB或35dB的衰减，以避免信号饱和或损坏探测器。所有近共振信号通过单次测量采集，偏共振信号平均后采集。由于激光颤噪效应，会产生背景信号。通过使用钕-铁-硼永磁体在晶体上施加100高斯的静磁场，可以将并五苯|X>和|Z>态之间的跃迁频率完全移到谐振器的带宽之外，此时收集的信号就是背景信号，将其减去从而得到真实的信号。

线形测量结果如图9所示，通过将时域信号的峰值绘制为频率的函数，可以得到并五苯零场下的线形。图中微波激光增强的信号是在激光脉冲能量为4mJ时测得的，处于微波激光阈值以下的信号是在激光脉冲能量为80μJ时测得的。将测到的对数尺度的信号转换到线性尺度并作归一化，利用双洛伦兹模型拟合可以得到零场下并五苯的非对称线形及低频侧对应的半高半宽HWHM。对于微波激光增强的信号，HWHM＝0.13±0.013MHz，而没有微波激光的信号HWHM＝0.53±0.035MHz。因此，微波激光过程使并五苯的线宽显著变窄，其中自旋跃迁的HWHM减少了4倍。同时，微波激光增强的信号强度也提升了78倍。线宽测量的实验结果验证了本发明技术方案的可行性。

并五苯|X>和|Z>态跃迁的非对称线形还可以通过计算由二阶超精细相互作用产生的|X>和|Z>能级之间的能量偏移进行定性解释。由于|X>和|Y>自旋能级之间存在最小的零场分裂，|X>态的二阶能量偏移比|Z>态更明显。因此，以MHz为单位的能量，|X>和|Z>态之间跃迁的频率偏移可以通过公式(3)进行估计：

Δω_XZ/2π＝ΔE_X-ΔE_Z≈ΔE_X (3)

根据之前的研究结果，得到

其中ρ_i(i＝1,2,…,14)是碳原子与14个氢原子结合的三重态自旋密度，

是包含各向同性和各向异性部分的相关氢原子-超精细张量分量，E_X-E_Y＝107.5MHz是|X>和|Y>自旋能级之间的零场分裂，“±”符号表示氢原子的两种可能状态。基于公式(4)进行模拟，可以得到并五苯零场下

之间跃迁的不对称线形。模拟结果如图10所示，通过求解公式(4)的2¹⁴个解，计算二阶超精细相互作用产生的

之间的频率偏移，并绘制核密度曲线，模拟了不对称线形。该模拟结果与实验结果完全相符，进一步证明了实验的可靠性。

图11是本发明一个实施例与其他研究条件下得到的并五苯零场线形低频侧HWHM的比较。最初，并五苯的非对称线形都是在低温下通过光学探测磁共振(ODMR)方法测量获得的，后来，发展出自由感应衰减(FID)、电子顺磁共振(EPR)和微波激光方法，实现了室温下并五苯非对称线形的测量。由图11可知，本实施例测得的并五苯非对称线形的HWHM比低温下单分子测量结果窄了60％，是迄今为止最优的结果。

在此基础上，本发明一个实施例对磁场传感的性能进行了研究。首先利用钕-铁-硼永磁体施加一个小的直流磁场，磁场强度通过改变增益介质和磁铁之间的距离而改变。施加磁场的大小使用商用霍尔磁力仪进行测量。在不同的外加磁场条件下，保持自激微波功率和激光能量相同，对并五苯|X>和|Z>态跃迁的非对称线形进行测量。测量结果如图12所示，当外加磁场为B₀＝66μT时，对线形作一阶微分，得到最大斜率对应的频率为1448.45MHz，即此处信号强度陡然上升，表明其对磁场变化最为灵敏。将该频率下单次测量的时域信号取出来，分析得到信噪比为30dB。为了对磁场传感的性能进行分析，将不同外加磁场下在1448.45MHz测到的信号最大值随着磁场强度的变化绘制出来并进行指数拟合，如图13所示，拟合得到B₀＝66μT时的斜率为337V/T。通常，灵敏度η定义为：

其中σ_S＝4.5×10^-4V是B₀＝66μT时偏共振情况下单次测量的时域信号的标准差；Δf＝500MHz是数据采集的测量带宽。因此，基于斜率探测技术，本发明的一个实施例实现了

的测磁灵敏度，与最先进的固态系综磁力仪的灵敏度相当。

本发明提出的技术方案通过微波激光技术使系综自旋体系的非均匀线宽明显变窄，可以延长其退相干时间；同时，信号幅度得到很大的提高，进一步提升了信噪比，因此能够实现更高灵敏度的测量。

本发明提出的技术方案所采用的读出技术可以有效改善读出效率低下的问题，读出保真度接近于100％，并且可以实现单次读出，有效缩短了读出时间。

本发明所述实验装置可以集成化，有望实现小型化的固态量子传感器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微波激光的固态量子传感器，其特征在于，利用激光对增益介质进行激发，通过反馈回路提供自激微波进入谐振腔，调节激光能量达到微波激光阈值，再通过测量电路读出谐振腔输出的微波信号，将信号进行分析得到增益介质能级变化引起的共振频率偏移，从而对所施加的磁场、电场、温度和压力物理参数进行精密测量。

2.根据权利要求1所述的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，其特征在于，包括：

初始化：施加激光对增益介质进行光激发，使其形成理想的量子态；

自激微波信号输入：使用反馈回路产生的自激微波沿线路进入谐振腔内，微波与增益介质的相互作用引起谐振腔内微波信号的变化；

激光调节：调节激光能量，使谐振腔输出的微波信号达到微波激光阈值；

读出：改变谐振腔的频率，利用测量电路采集不同频率下谐振腔输出的微波信号；

测量：分析采集的信号，得到增益介质能级变化引起的共振频率偏移，执行待测物理参数的精密测量。

3.根据权利要求2所述的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，其特征在于，通过反馈回路产生的自激微波频率与谐振腔的频率相同，调节谐振腔的频率时，自激微波频率同时发生变化。

4.根据权利要求2所述的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，其特征在于，所述激光调节以谐振腔的频率调到增益介质的共振频率附近时所输出的微波信号达到微波激光阈值为准，来调节激光能量。

5.根据权利要求2所述的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，其特征在于，所述自激微波信号通过耦合天线处于欠耦合的一端进入谐振腔，采集的微波信号通过谐振腔过耦合天线的一端输出。

6.一种基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，其特征在于，包括：

泵浦光源：用于提供合适的激光，激发增益介质；

光电探测器：用于触发示波器；

谐振腔模块：用于增强微波与增益介质之间的相互作用；

反馈回路模块：用于产生自激微波，并传输到谐振腔中，操控增益介质的电子自旋态；

测量电路模块：用于读出谐振腔输出的微波信号；

微波分析仪：用于监测自激微波信号的功率和频率；

示波器：用于信号的采集。

7.根据权利要求6所述的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，其特征在于，所述谐振腔模块包括增益介质、介电谐振器、铜封闭外壳和耦合天线；增益介质提供系综自旋体系，可以是并五苯掺杂的对三联苯有机晶体，或含有氮空位缺陷的金刚石晶体合适的固态自旋体系；介电谐振器提供高的品质因子Q，形成谐振结构，可以由钛酸锶、蓝宝石、烧结微波陶瓷材料或其他合适材料制成；铜封闭外壳上端有一个“活塞式”调谐旋钮，用于调节谐振腔的频率。

8.根据权利要求6所述的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，其特征在于，所述反馈回路模块包括放大微波信号的放大器、滤除微波信号中杂散信号的带通滤波器、形成信号单向传输回路的隔离器、调节反馈回路路径长度的移相器、调节自激微波信号功率的衰减器，将信号部分耦合到微波分析仪的定向耦合器，分出部分信号到测量电路的功分器。

9.根据权利要求6所述的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，其特征在于，所述测量电路模块包括测量输出微波信号功率的对数放大器，以及防止信号饱和或损坏探测器的衰减器。

10.根据权利要求6所述的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，其特征在于，包括放置在谐振腔附近的提供待测物理量的器件。

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