CN114415080A - 金刚石nv色心磁力计及测量磁场的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种金刚石NV色心磁力计，包括：低温装置，用于提供稳定的低温环境；支撑装置，设置于低温装置内；具备NV色心的金刚石，设置在支撑装置上；激发光源，设置于低温装置外，激发光源适用于射出波长范围在500nm‑550nm范围的激发光，激发光为可极化金刚石NV色心的电子状态的弱光；微波源，适用于向金刚石NV色心发射参考电磁波，以调制金刚石NV色心的电子自旋状态，金刚石NV色心附近存在的使金刚石NV色心的电子自旋状态发生振荡，进而金刚石NV色心发射的荧光会受到参考电磁波和待测电磁波的混合调制；以及探测模块，适用于根据金刚石NV色心的经调制的荧光的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。

Description

金刚石NV色心磁力计及测量磁场的方法

技术领域

本公开涉及磁共振测量技术领域，具体地，涉及一种金刚石NV色心磁力计及测量磁场的方法。

背景技术

光探测磁共振(ODMR)是一种基于光学手段的电子自旋磁共振技术，通过该技术可以对晶体缺陷的电子自旋进行光学泵浦以实现初始化和读出。金刚石Nitrogen-Vacancy色心(NV色心)是一种金刚石体内的缺陷结构，具有良好稳定的光学性质。金刚石NV色心中间的电子自旋可以通过光探测磁共振技术进行操控，通过探测金刚石NV色心荧光强度来获得电子所处的自旋状态，利用电子单自旋体系对外界的敏感性，从而获得外界环境的相关属性。基于金刚石NV色心的光探测磁共振技术最早于1997年被德国物理学家Wrachtrup首次实验实现，经过几十年的技术发展，已经被广泛应用于弱磁测量、磁成像、量子传感、磁力计等方面。

目前基于金刚石NV色心发展的磁测量技术进步迅速，但受限于由于金刚石NV色心在室温下的纵向弛豫时间(T1时间)，为了实现高灵敏度的磁测量，人们需要使用高功率激光来激发金刚石NV色心、磁力线集聚结构等方法，从而弥补金刚石NV色心T1时间造成的灵敏度下降所带来的不足。但在生物传感等领域，强激光功率的使用也限制了金刚石NV色心测磁技术的应用，此外激光功率的增加所带来的灵敏度提升有限，且需要面对金刚石NV色心测磁系统的散热带来的挑战。

因此可以看出，以上方法额外增加的装置系统阻碍了金刚石NV色心磁探测技术的实用化，也限制了达到金刚石NV色心测磁灵敏度的理论极限。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种金刚石NV色心磁力计及测量磁场的方法，以解决上述以及其他方面的至少一种技术问题。

为了实现上述目的，本公开的一个方面，提供了一种金刚石NV色心磁力计，包括：低温装置，用于提供稳定的低温环境；支撑装置，设置于低温装置内；金刚石，设置在支撑装置上，形成有适用于发射荧光的金刚石NV色心；激发光源，设置于低温装置外，激发光源适用于射出波长范围在500nm-550nm范围的激发光，激发光为可极化金刚石NV色心的电子状态的弱光；微波源，适用于向金刚石NV色心发射参考电磁波，以调制金刚石NV色心的电子自旋状态，结合金刚石NV色心附近存在的待测电磁波，进而对金刚石NV色心发射的荧光进行参考电磁波和待测电磁波的混合调制；以及探测模块，适用于根据金刚石NV色心的经调制的荧光的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。

根据本公开的实施例，金刚石NV色心磁力计还包括：辐射组件，安装在支撑装置上，并被构造成基于微波源发射的参考电磁波和待测电磁波产生适用于调制金刚石NV色心的电子自旋状态的微波脉冲；以及信号处理装置，适用于记录由探测模块收集的荧光并对荧光进行频谱分析，以根据对应于参考电磁波的频移确定待测电磁波的磁场。

根据本公开的实施例，支撑装置包括：样品台，适用于承载金刚石和辐射组件，样品台通过铜编织带与低温装置连接；以及移动台，适用于驱动所述样品台，以调节金刚石与探测模块的距离。

根据本公开的实施例，移动台包括：微米平移台，设置于纳米平移台下，用于初步调节金刚石与探测模块的距离；以及纳米平移台，设置于样品台下，用于精细调节金刚石与探测模块的距离。

根据本公开的实施例，探测模块包括：会聚镜，设置于低温装置内，适用于收集金刚石NV色心的经调制的荧光；二向色镜，适用于反射激发光源发出的激发光和透射金刚石NV色心发出的经调制的荧光；滤光片，适用于透过来自于二向色镜的波长在650nm以上的光；透镜，适用于会聚来自于滤光片的光；以及光电二极管，适用于探测由透镜汇聚的光并输出荧光信号。

根据本公开的实施例，会聚镜包括抛物面镜或者物镜，抛物面镜用于透过全部的激发光，收集金刚石NV色心的经调制的荧光并将荧光会聚成平行于光轴且射向至二向色镜；物镜用于会聚激发光，并激发金刚石NV色心产生荧光，以满足磁场测量的同时保持一定的空间分辨率测量。光电二极管包括雪崩光电二极管探测器。

根据本公开的实施例，低温装置提供的温度范围为10K-300K。

根据本公开的实施例，金刚石的尺寸为1.5mm×1mm×0.5mm，含氮量为1-10ppm；金刚石形成金刚石NV色心过程中所使用的电子辐射处理的电子辐照的粒子注量为3×10¹⁸/cm²量级。

根据本公开的实施例，激发光源可以是发光二极管、日光灯、太阳光中的任意之一。

本公开的另一个方面，提供了一种利用金刚石NV色心磁力计测量磁场的方法，包括：S1：将含有NV色心的金刚石放置于低温装置中样品台上，低温装置使金刚石NV色心的纵向弛豫时间T1得到延长；S2：激发光源对金刚石NV色心施加弱光激发，弱光使所述NV色心在基态和激发态之间跃迁；S3：对金刚石NV色心施加参考微波信号，参考电磁波适用于调制金刚石NV色心中的电子自旋状态，金刚石NV色心附近存在的待测电磁波信号使金刚石NV色心的电子自旋状态发生振荡，进而金刚石NV色心发射的荧光受到参考电磁波和待测电磁波的混合调制；S4：探测模块对金刚石NV色心发射的荧光信号进行收集记录，根据金刚石NV色心发射的荧光信号的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。

根据本公开的上述实施例的金刚石NV色心磁力计及测量磁场的方法中，通过利用低温装置延长金刚石NV色心的纵向弛豫时间T1，以降低极化金刚石NV色心所需要的光功率密度，从而降低了所需要的激光功率，最终达到免激光激发的状态，使得金刚石NV色心可被弱光激发的条件下，也能够根据混合微波脉冲调制金刚石NV色心的荧光强度的原理，实现无需激光激发条件下的高灵敏度的磁场测量，进一步提高了金刚石NV色心磁力计的应用范围。

附图说明

图1是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的简易示意图；

图2是本公开另一实施例的金刚石NV色心磁力计的简易示意图；

图3是本公开实施例的金刚石、样品台及辐射组件之间的位置关系的示意图；

图4是本公开实施例的利用金刚石NV色心磁力计测量磁场的方法流程图；

图5是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的激发光功率密度-弛豫速率的示意图；

图6是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的激发光与混合微波的脉冲序列图；以及

图7是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的磁场测量的荧光时域图和频域图。

附图标记说明

1 低温装置

2 支撑装置

21 样品台

22 移动台

221 微米平移台

222 纳米平移台

3 金刚石

4 激发光源

5 微波源

6 探测模块

61 会聚镜

611 抛物面镜

612 物镜

62 二向色镜

63 滤光片

64 透镜

65 光电二极管

651 雪崩光电二极管

7 辐射组件

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，对本公开作进一步的详细说明。

传统的金刚石NV色心的磁测量技术通过高功率激光来激发金刚石NV色心、磁力线集聚结构等方法，弥补金刚石NV色心纵向弛豫时间T1造成的灵敏度下降所带来的不足。但在生物传感和医学成像等领域，强激光功率限制了金刚石NV色心测磁技术的应用，此外激光功率的增加所带来的灵敏度提升也是有限的。

理论上，金刚石NV色心的基态电子自旋状态包括|m_s＝±1>态和|m_s＝0>态，处于简并态的|m_s＝±1>态和|m_s＝0>态之间有着2.87GHz的零场分裂。激发后的激发态|m_s＝±1>倾向于以一定的跃迁率跃迁回基态|m_s＝0>,当激发光持续激发NV色心，可以使得NV色心被极化到激发态|m_s＝0>。零场劈裂使得NV色心的电子自旋态可以在零场情况下被微波操控，通过加微波(电磁波)操控场就可以操控NV色心的自旋状态，即调制NV色心的荧光状态。

为此，根据本公开的一个方面的总体上的发明构思，提供一种金刚石NV色心磁力计，包括：用于提供稳定的低温环境的低温装置；设置于低温装置内的支撑装置；设置在支撑装置上的金刚石，金刚石形成有适用于发射荧光的金刚石NV色心；激发光源设置于低温装置外，激发光源适用于射出波长范围在500nm-550nm范围的激发光，该激发光为可极化金刚石NV色心的电子状态的弱光；适用于向金刚石NV色心发射参考电磁波的微波源，用以调制金刚石NV色心的电子自旋状态，结合金刚石NV色心附近存在的待测电磁波，进而对金刚石NV色心发射的荧光进行参考电磁波和待测电磁波的混合调制；以及探测模块，适用于根据金刚石NV色心的经调制的荧光的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。

根据本公开的另一个方面的总体上的发明构思，提供一种利用金刚石NV色心磁力计测量磁场的方法，包括：S1：将含有NV色心的金刚石放置于低温装置中样品台上，低温装置使金刚石NV色心的纵向弛豫时间T1得到延长；S2：激发光源对金刚石NV色心施加弱光激发，弱光使所述NV色心在基态和激发态之间跃迁；S3：对金刚石NV色心施加参考微波信号，参考电磁波会调制金刚石NV色心中的电子自旋状态，金刚石NV色心附近存在的待测电磁波信号使金刚石NV色心的电子自旋状态发生振荡，进而金刚石NV色心发射的荧光会受到参考电磁波和待测电磁波的混合调制；S4：探测模块对金刚石NV色心发射的荧光信号进行收集记录，根据金刚石NV色心发射的荧光信号的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。

在上述金刚石NV色心磁力计及测量磁场的方法中，通过利用低温装置延长金刚石NV色心的纵向弛豫时间T1，可显著降低极化金刚石NV色心所需要的光功率密度，从而降低了所需要的激光功率，最终达到免激光激发的状态，使得金刚石NV色心可被弱光激发的条件下，也能够根据混合微波脉冲调制金刚石NV色心的荧光强度的原理，实现无需激光激发条件下的高灵敏度的磁场测量，进一步提高了金刚石NV色心磁力计的应用范围。

以下列举具体实施例来对本公开的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本公开。

图1是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的简易示意图。

如图1所示，本公开提供一种金刚石NV色心磁力计，包括：用于提供稳定的低温环境的低温装置1；设置于低温装置1内的支撑装置2；设置在支撑装置2上的金刚石3，金刚石3形成有适用于发射荧光的金刚石NV色心；激发光源4设置于低温装置1外，激发光源4适用于射出波长范围在500nm-550nm范围的激发光，该激发光为可极化金刚石NV色心的电子状态的弱光；适用于向金刚石NV色心发射参考电磁波的微波源5，用以调制金刚石NV色心的电子自旋状态，结合金刚石NV色心附近存在的待测电磁波，进而对金刚石NV色心发射的荧光进行参考电磁波和待测电磁波的混合调制；以及探测模块6，适用于根据金刚石NV色心的经调制的荧光的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。

根据本公开的实施例，金刚石NV色心磁力计还包括：安装在支撑装置2上的辐射组件7，辐射组件7被构造成基于微波源5发射的参考电磁波和待测电磁波产生适用于调制金刚石NV色心的电子自旋状态的微波脉冲。以及信号处理装置，该信号处理装置适用于记录由探测模块6收集的荧光并对荧光进行频谱分析，以根据对应于参考电磁波的频移确定待测电磁波的磁场。

根据本公开的实施例，辐射组件7中间设置一贯穿的孔状结构，金刚石3放置在孔状结构内，与支撑装置2接触，辐射组件7用于辐射外部微波源5传输的参考电磁波和待测电磁波，从而调制金刚石NV色心的荧光。

根据本公开的实施例，支撑装置2包括：用于承载金刚石3和辐射组件7的样品台21，样品台21通过铜编织带与低温装置1连接。以及用于驱动所述样品台21的移动台22，以调节金刚石3与探测模块6的距离。

根据本公开的实施例，移动台22包括设置于样品台21下的纳米平移台222，用于精细调节金刚石3与探测模块6的距离；以及设置于纳米平移台222下的微米平移台221，用于初步调节金刚石3与探测模块6的距离，使得光电二极管65能够收集到金刚石NV色心发射的荧光。通过纳米平移台222移动金刚石，获得金刚石NV色心荧光的三维图，对不同位置的NV色心进行激发，来实现具有一定的空间分辨率的磁场测量。

根据本公开的实施例，探测模块6包括：设置于低温装置1内的会聚镜61，用于收集金刚石NV色心的经调制的荧光；二向色镜62是用于反射激发光源4发出的激发光和透射金刚石NV色心发出的经调制的荧光；用于透过来自于二向色镜62的波长在650nm以上的光的滤光片63；用于会聚来自于滤光片63的光的透镜64；以及光电二极管65是用于探测由透镜64会聚的金刚石NV色心的荧光并输出荧光信号。整个探测模块6用于根据金刚石NV色心的经调制的荧光的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。

根据本公开的实施例，会聚镜61包括用于透过全部的激发光的抛物面镜611，抛物面镜收集金刚石NV色心的经调制的荧光并将所述荧光会聚成平行于光轴且射向所述二向色镜。

根据本公开的实施例，微波源5用于产生微波脉冲信号，包括参考电磁波信号、或参考电磁波和待测电磁波的混合电磁波信号。微波源5通过微波线路与辐射组件7相连接，辐射组件7用于辐射微波脉冲，微波脉冲能够调制金刚石NV色心的电子自旋状态，从而可通过记录金刚石NV色心的荧光的变化来得到金刚石NV色心附近的待测电磁波的信息。

根据本公开的实施例，探测模块6用于收集的金刚石NV色心发射的荧光，并记录在微波源5输出微波脉冲信号结合金刚石NV色心附近待测电磁波时金刚石NV色心发射的荧光信号，同时输出到信号处理装置。

根据本公开的实施例，金刚石NV色心在实验室坐标系下的能级结构包括|±1>和|0>；金刚石NV色心在微波场操控下，会在|0>和|-1>之间共振，当加入第二路待测微波的时候，金刚石NV色心的荧光会受到第二路待测电磁波和第一路参考电磁波的混合调制。探测模块6收集输出的荧光信号传输至信号处理装置，通过频谱分析，就可以获得待测电磁波信号的频率信息。也就是说，在外界磁场为零的条件下，对金刚石NV色心同时施加连续的弱光激发和混合的微波脉冲(其中混合的微波脉冲包括参考电磁波信号和待测电磁波信号)，通过荧光探测模块6来收集探测金刚石NV色心的荧光并输出荧光信号，经过信号处理装置传输到计算机。通过对荧光数据进行频谱分析，即可找到相对于参考电磁波信号的频移，即代表着探测到待测电磁波信号。其中，待测电磁波信号的磁场信号等价其他待测量的弱磁信号，即通过测量待测电磁波信号，可以实现磁场测量。

图2是本公开另一实施例的金刚石NV色心磁力计的简易示意图。

如图2所示，根据本公开的另一实施例，会聚镜61包括用于会聚激发光的物镜612，物镜612可激发金刚石NV色心产生荧光，以满足磁场测量的同时保持一定的空间分辨率测量。本实施例的优势在于实现弱磁测量的同时保持一定的空间分辨率。

根据本公开的实施例，光电二极管65包括雪崩光电二极管探测器651，用于探测金刚石NV色心发射的荧光并输出荧光信号。

根据本公开的实施例，支撑装置2被整体放置在低温系统内，通过铜编制带与样品台21连接，为金刚石3提供稳定的低温环境，延长金刚石NV色心的纵向弛豫时间。

根据本公开的实施例，金刚石NV色心磁力计的基本探测单元为抛物面镜61和金刚石3，二者通过紫外胶固定在所述样品台21上。

根据本公开的实施例，低温装置1提供的温度范围为10K-300K，实际使用的温度区间为液氮-液氦温区。

根据本公开的实施例，低温装置1为低温恒温装置，可以是液氮(液氦)杜瓦制冷装置、电制冷片制冷装置中的任意之一。

根据本公开的实施例，金刚石NV色心是通过电子辐照一金刚石3基材获得的。金刚石3的尺寸为1.5mm×1mm×0.5mm，含氮量为1-10ppm；金刚石3形成金刚石NV色心过程中所使用的电子辐射处理的电子辐照的粒子注量为3×10¹⁸/cm²量级。

根据本公开的实施例，激发光源4以弱光为主，可以是发光二极管、日光灯、太阳光中的任意之一。

根据本公开的实施例，信号处理装置包括信号采集卡、信号同步装置、电脑，用于处理记录的金刚石NV色心的荧光信号，对荧光信号进行频谱分析后，即可获得待测电磁波信号的信息。

图3是本公开实施例的金刚石3、样品台21及辐射组件7之间的位置关系的示意图。

在一种实施例中，金刚石3、样品台21及辐射组件7之间的位置关系如图3所示，辐射组件7中间设置一贯穿的孔状结构，金刚石3放置在孔状结构内，且与支撑装置2中的样品台21接触。样品台21用于放置金刚石3，辐射组件7用于辐射外部微波源5传输的参考电磁波，结合金刚石NV色心附近的待测电磁波从而调制金刚石NV色心射出的荧光。

图4是本公开实施例的利用金刚石NV色心磁力计测量磁场的方法流程图。

如图4所示，本公开实施例提供一种利用金刚石NV色心磁力计测量磁场的方法，包括：S1：将含有NV色心的金刚石3放置于低温装置1中样品台21上，低温装置1使金刚石NV色心的纵向弛豫时间T1得到延长；S2：激发光源4对金刚石NV色心施加弱光激发，弱光使所述NV色心在基态和激发态之间跃迁；S3：对金刚石NV色心施加参考微波信号，参考电磁波会调制金刚石NV色心中的电子自旋状态，金刚石NV色心附近存在的待测电磁波信号使金刚石NV色心的电子自旋状态发生振荡，进而金刚石NV色心发射的荧光会受到参考电磁波和待测电磁波的混合调制；S4：探测模块6对金刚石NV色心发射的荧光信号进行收集记录，根据金刚石NV色心发射的荧光信号的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。

图5是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的激发光功率密度-弛豫速率的示意图。

如图5所示，为本发明实施例提供的一种弱光激发的金刚石NV色心原子磁力计的激发光功率密度-弛豫速率的示意图，实验环境为在外界磁场为零的条件，此时微波源发射参考电磁波和待测电磁波的混合微波脉冲。温度影响金刚石NV色心的纵向弛豫时间，在同样的测磁灵敏度条件下，在室温下实现相应的测磁灵敏度需要提供高功率的激光用于激发金刚石NV色心，但随着降低金刚石所在环境的温度，金刚石NV色心的纵向弛豫时间得到延长，实现同样的测磁灵敏度所需要的光功率密度降低了三个数量级。参见图5，采用本公开提供的设计低温装置1的磁力计，可以有效降低对激发金刚石NV色心所需要的光功率密度的需求，与现有技术相比，本公开提供的技术方案降低了1000倍的光功率密度，从而实现了弱光激发的目标。

图6是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的激发光与混合微波的脉冲序列图。

如图6所示，金刚石NV色心磁力计的激发光与混合微波的脉冲序列图中，实验环境为在外界磁场为零，用来激发的弱光是指包含波长在500nm到550nm之间的弱光，可以是发光二极管、日光灯、太阳光中的任意之一；混合微波的脉冲为微波源发射参考电磁波和待测电磁波。在该序列中，探测模块6持续记录金刚石NV色心的荧光信号并传输到信号处理装置。通过改变如图3中所示的参考电磁波和待测电磁波的功率，可以得到不同功率下的金刚石NV色心荧光信号强度图，可以得到最优灵敏度对应的电磁波功率值。

图7是本公开实施例的金刚石NV色心磁力计的磁场测量的荧光时域图和频域图。

在外界磁场为零的情况下，利用弱光激发将所述NV色心极化到|0>态，同时施加参考电磁波和待测电磁波，金刚石NV色心的荧光状态会被调制，当参考电磁波信号和待测电磁波信号存在频率差，金刚石NV色心的荧光信号会被调制，通过持续记录电磁波输出时的金刚石NV色心的荧光信号，便可得到对应电磁波功率下的荧光信号时域数据，通过频谱分析，即可得到对应的待测电磁波信号的信息。

如图7所示，左侧图为金刚石NV色心磁力计的磁场测量的荧光时域图，反映了施加图6所示的脉冲序列后所示金刚石NV色心的荧光信号强度-时间图，其中纵轴单位是V，横轴单位是s。右侧图为金刚石NV色心磁力计的磁场测量的荧光频谱图，横轴是Hz，纵轴代表不同频率的占比，反映了所示金刚石NV色心的荧光信号的频谱信息。参见图7可看出施加图6所示的脉冲序列后对应0.2Hz有一个峰，即代表着金刚石NV色心的荧光信号有一个0.2Hz的频率调制，即为待测电磁波信号的特征。施加图6所示的脉冲序列后，由图7可得，当参考电磁波的频率为2.87GHz，待测电磁波的频率为2.8700000002GHz。

根据本公开的上述实施例的金刚石NV色心磁力计及测量磁场的方法中，通过利用低温装置1延长金刚石NV色心的纵向弛豫时间T1，以降低极化金刚石NV色心所需要的光功率密度，从而降低了所需要的激光功率，最终达到免激光激发的状态，使得金刚石NV色心可被弱光激发的条件下，也能够根据混合微波脉冲调制金刚石NV色心的荧光强度的原理，实现无需激光激发条件下的高灵敏度的磁场测量，进一步提高了金刚石NV色心磁力计的应用范围。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

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

Claims (10)

1.一种金刚石NV色心磁力计，包括：

低温装置(1)，用于提供稳定的低温环境；

支撑装置(2)，设置于所述低温装置(1)内；

金刚石(3)，设置在所述支撑装置上，形成有适用于发射荧光的金刚石NV色心；

激发光源(4)，设置于所述低温装置(1)外，所述激发光源(4)适用于射出波长范围在500nm-550nm范围的激发光，所述激发光为可极化所述金刚石NV色心的电子状态的弱光；

微波源(5)，适用于向所述金刚石NV色心发射参考电磁波，以调制所述金刚石NV色心的电子自旋状态，结合金刚石NV色心附近存在的待测电磁波，进而对所述金刚石NV色心发射的荧光进行参考电磁波和待测电磁波的混合调制；

探测模块(6)，适用于根据所述金刚石NV色心的经调制的荧光的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。

2.根据权利要求1所述的金刚石NV色心磁力计，其中，还包括：

辐射组件(7)，安装在所述支撑装置(2)上，并被构造成基于所述微波源(5)发射的参考电磁波和待测电磁波产生适用于调制所述金刚石NV色心的电子自旋状态的微波脉冲；以及

信号处理装置，适用于记录由所述探测模块(6)收集的荧光并对荧光进行频谱分析，以根据对应于参考电磁波的频移确定待测电磁波的磁场。

3.根据权利要求2所述的金刚石NV色心磁力计，其中，所述支撑装置(2)包括：

样品台(21)，适用于承载所述金刚石和所述辐射组件，所述样品台(21)通过铜编织带与所述低温装置(1)连接；以及

移动台(22)，适用于驱动所述样品台(21)，以调节所述金刚石(3)与所述探测模块(6)的距离。

4.根据权利要求3所述的金刚石NV色心磁力计，其中，所述移动台(22)包括：

纳米平移台(222)，设置于所述样品台(21)下，用于精细调节所述金刚石(3)与所述探测模块(6)的距离；以及

微米平移台(221)，设置于所述纳米平移台(22)下，用于初步调节所述金刚石(3)与所述探测模块(6)的距离。

5.根据权利要求1所述的金刚石NV色心磁力计，其中，所述探测模块(6)包括：

会聚镜(61)，设置于所述低温装置(1)内，适用于收集所述金刚石NV色心的经调制的荧光；

二向色镜(62)，适用于反射所述激发光源(4)发出的激发光和透射所述金刚石NV色心发出的经调制的荧光；

滤光片(63)，适用于透过来自于所述二向色镜(62)的波长在650nm以上的光；

透镜(64)，适用于会聚来自于所述滤光片的光；以及

光电二极管(65)，适用于探测由所述透镜汇聚的光并输出荧光信号。

6.根据权利要求1所述的金刚石NV色心磁力计，其中，

所述会聚镜(61)包括：

抛物面镜(611)，用于透过全部的激发光，收集所述金刚石NV色心的经调制的荧光并将所述荧光会聚成平行于光轴的荧光且射向所述二向色镜；或者

物镜(612)，用于会聚激发光，并激发所述金刚石NV色心产生荧光，以满足磁场测量的同时保持一定的空间分辨率测量；

所述光电二极管(65)包括雪崩光电二极管(651)探测器。

7.根据权利要求1-6中的任一项所述的金刚石NV色心磁力计，其中，所述低温装置(1)提供的温度范围为10K-300K。

8.根据权利要求1-6中的任一项所述的金刚石NV色心磁力计，其中，金刚石(4)的尺寸为1.5mm×1mm×0.5mm，含氮量为1-10ppm；

所述金刚石(4)形成金刚石NV色心过程中所使用的电子辐射处理的电子辐照的粒子注量为3×10¹⁸/cm²量级。

9.根据权利要求1-6中的任一项所述的金刚石NV色心磁力计，其中，所述激发光源(5)可以是发光二极管、日光灯、太阳光中的任意之一。

10.一种利用金刚石NV色心磁力计测量磁场的方法，包括：

S1：将含有NV色心的金刚石放置于低温装置(1)中样品台(21)上，所述低温装置(1)使金刚石NV色心的纵向弛豫时间T1得到延长；

S2：激发光源(4)对所述金刚石NV色心施加弱光激发，所述弱光使所述NV色心在基态和激发态之间跃迁；

S3：对所述金刚石NV色心施加参考微波信号，所述参考电磁波适用于调制所述金刚石NV色心中的电子自旋状态，金刚石NV色心附近存在的待测电磁波信号使金刚石NV色心的电子自旋状态发生振荡，进而所述金刚石NV色心发射的荧光受到参考电磁波和待测电磁波的混合调制；

S4：探测模块(6)对所述金刚石NV色心发射的荧光信号进行收集记录，根据所述金刚石NV色心发射的荧光信号的频谱变化获得待测电磁波的信息，从而实现待测电磁波的磁场测量。

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