CN114441794A - 基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法，此装置将光悬浮微型颗粒高速旋转技术应用到金刚石中氮‑空位色心固态原子自旋角速度测量系统中，对测量系统进行整体设计，通过光悬浮微型颗粒实现NV色心自旋相对系统部件的独立悬浮旋转，本发明将悬浮激光偏振角动量转化为微型颗粒旋转角动量，进而转化为NV色心几何相累积的，从而实现对微型颗粒质心运动、旋转运动和NV色心几何相三种信号的同步实时检测。同时，本发明中的主要光学器部件均采用光纤式设计，提高了本发明装置的可拓展性、可靠性和便携性。本发明将有利于拓展基于固态原子自旋几何相角速度测量装置在微小型集成化等方面的研究和应用。

Description

基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法

技术领域

本发明涉及固态原子自旋、光悬浮技术和角速度测量领域，具体涉及一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法。

背景技术

凭借量子传感技术超越经典测量极限的突出优势，基于原子自旋及量子效应的角速度测量装置正处于蓬勃发展阶段。为了能够满足微小型应用场景的需求，研究者们将目光聚焦于无需承载腔室且自旋密度较大的固态原子自旋材料。近年来，基于固态原子自旋的角速度测量方案已逐渐得到重视，其中发展最为迅速的固体自旋材料为金刚石内嵌氮-空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心，一般可通过检测NV色心在旋转过程中累积的自旋几何相来实现高精度角速度测量。由于NV色心量子传感系统离不开光学激发检测和微波操控等系统部件的联合装配，因此，传统的角速度测量技术方案只能通过将含有NV色心的固体自旋样品与系统部件固连的形式在高速转台上实现整体旋转，从而进行转动试验测量角速度。通过此种方式测得的角速度容易受到与样品相连的系统部件的干扰，并不能反映NV色心的固体自旋样品真实的角速度，测量精度低。同时，因为系统部件仅能在低速范围内转动，这种测试方式还对高速转台的转速和体积提出了更高要求，进而限制了待测角速度仅能局限在较小的测量范围内，也使得现有系统难以向小型化便携式的方向发展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法，通过将光悬浮技术应用在固态原子自旋角速度测量方案中，进而将圆极化悬浮激光的自旋角动量转化为NV色心所在颗粒的空间旋转角动量，实现NV色心不依赖于高速转台的独立旋转运动，使得测得的角速度准确性更高，测量范围更广。同时，通过将各主要光学器部件设计为光纤型器件，进一步提高角速度测量装置的实用性和可拓展性。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，该装置用于测量二氧化硅微型颗粒的光悬浮角速度，所述二氧化硅微型颗粒上生长含有均匀分布取向一致的NV色心金刚石薄膜；

该装置包括入射光路、出射光路、真空腔，以及位于所述真空腔内的聚光透镜组、微波天线；

所述微波天线对准所述二氧化硅微型颗粒，且所述微波天线通过微波线缆连接位于所述真空腔外的微波系统；

所述入射光路上，悬浮激光器、第一光纤型λ/4可调波片、合束器、真空腔依次通过光纤连接，激发激光器也通过光纤连接合束器；所述聚光透镜组的中心位于所述入射光路上，测量时二氧化硅微型颗粒放置在所述聚光透镜组的中心，所述聚光透镜组用于将所述合束器输出的合束激光聚焦到所述二氧化硅微型颗粒上以实现所述二氧化硅微型颗粒的悬浮和激发；

所述出射光路上，真空腔、第一分束器、第二分束器、第二光纤型λ/4可调波片和偏振分束器依次通过光纤连接；荧光探测器、质心探测器、差分探测器分别通过光纤与第一分束器、第二分束器、偏振分束器一一对应连接，荧光探测器、质心探测器、差分探测器与数据处理与分析系统连接；荧光探测器上还设置有滤波片；

所述数据处理与分析系统采集质心探测器和差分探测器探测结果确定颗粒悬浮状态，再通过荧光探测器得到二氧化硅微型颗粒的NV色心荧光信息从而解算出相应旋转角速度信息。

进一步地，为了实现激光与二氧化硅微型颗粒的悬浮效果，所述微型颗粒的尺寸在100-1000 nm范围内。

进一步地，考虑到金刚石色心受激发后发出的红色荧光波段在600-800 nm，所述滤波片为带通滤波片，波长透射范围为600-800 nm。

进一步地，所述悬浮激光器的工作波长为1565 nm，所述激发激光器的工作波长为532 nm。

进一步地，所述入射光路和出射光路共轴，所述聚光透镜组的中心位于所述入射光路和出射光路的轴线上。

进一步地，所述聚光透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和第二透镜相对而设，焦点重合，所述二氧化硅微型颗粒位于所述第一透镜和第二透镜的焦点处；

其中，所述第一透镜的中心轴与所述第二透镜的中心轴与所述入射光路、出射光路共轴，且所述第一透镜靠近所述合束器设置，所述第二透镜靠近所述第一分束器设置；

所述第一透镜用于将所述合束器经所述入射光路的光纤输出端输出的合束激光聚焦到所述二氧化硅微型颗粒上以实现所述二氧化硅微型颗粒的悬浮和激发；所述第二透镜用于收集所述二氧化硅微型颗粒透射的合束激光以及激发所述二氧化硅微型颗粒所产生的荧光并传输给所述出射光路。

进一步地，所述真空腔的外壁两侧分别设有第一窗片和第二窗片，所述合束器输出的合束激光经过所述第一窗片传输至所述第一透镜；所述第二透镜收集的合束激光及荧光通过所述第二窗片进入所述出射光路的光纤输入端，以在所述出射光路上的真空腔、第一分束器、第二分束器、第二光纤型λ/4可调波片和偏振分束器依次传输。

为了确保光束能够稳定传输，所述入射光路的光纤输出端固定在所述第一窗片上；所述出射光路的光纤输入端固定在所述第二窗片上。

进一步地，该方法基于上述任意一装置来实现，该测量方法具体为：

调整第一光纤型λ/4可调波片，使二氧化硅微型颗粒实现高速旋转，根据质心探测器和差分探测器探测结果解算出初步旋转信息；实时调整悬浮激光器和激发激光器的功率以及第一光纤型λ/4可调波片的参数，待质心探测器和差分探测器两者信号稳定后，改变微波系统的操控脉冲形式，通过荧光探测器得到二氧化硅微型颗粒的NV色心累积的几何相Φ，根据Φ=ωt，计算得到二氧化硅微型颗粒的旋转角速度ω；其中，t为作用时间。

本发明的有益效果如下：

（1）本发明将光悬浮系统和固态原子自旋几何相角速度测量系统进行有机结合，通过圆偏振悬浮光旋转二氧化硅微型颗粒，使得二氧化硅微型颗粒能够独立于系统部件的旋转运动，不受其他系统部件的干扰和限制。且本发明在测量角速度时，通过固态原子自旋在几何相的累积进行角速度测量，测量精度高。由于该方案实现了不依赖于高速转台和系统部件的旋转，能够测量的角速度的范围也更广。

（2）本发明的入射光路和出射光路的各个部件均通过光纤连接，相对于传统的空间光直接在固定位置处的光学器件中传播来测量角速度，整个测量装置可以根据测量需要进行移动，有利于实现测量装置的便携化和小型化。

附图说明

图1为本发明的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置的示意图。

图2为NV色心固态原子自旋在空间中旋转时累积几何相的原理示意图。

图3为荧光变化随时间改变的曲线图，其中离散的点为实验数据点，实线为拟合的曲线。

图4为相位随时间变化的曲线图，其中离散的点为数据解算点，实线为拟合的曲线。

图1中，悬浮激光器1、光纤2、第一光纤型可调波片3、合束器4、激发激光器5、真空腔6、聚光透镜组7、二氧化硅微型颗粒8、微波天线9、微波线缆10、微波系统11、第一分束器12、第二分束器13、第二光纤型可调波片14、偏振分束器15、滤波片16、荧光探测器17、质心探测器18、差分探测器19、数据处理与分析系统20、第一窗片601、第二窗片602。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，包括悬浮激光器1、光纤2、第一光纤型可调波片3、合束器4、激发激光器5、真空腔6、聚光透镜组7、二氧化硅微型颗粒8、微波天线9、微波线缆10、微波系统11、第一分束器12、第二分束器13、第二光纤型可调波片14、偏振分束器15、滤波片16、荧光探测器17、质心探测器18、差分探测器19、数据处理与分析系统20。该装置用于测量二氧化硅微型颗粒8的光悬浮角速度，二氧化硅微型颗粒8上生长含有均匀分布取向一致的NV色心金刚石薄膜。

其中，悬浮激光器1、第一光纤型可调波片3、合束器4、激发激光器5位于入射光路上，且悬浮激光器1、第一光纤型可调波片3、合束器4依次通过光纤2连接，激发激光器5也通过光纤2连接合束器。悬浮激光器1发出的1565 nm波长的线偏振光，经过第一光纤型可调波片3后形成圆偏振光。激发激光器5位于悬浮激光器1的垂直光路上，其发出532nm波长的激发激光。圆偏振光和激发激光通过合束器4进行合束。真空腔6位于合束激光的光路上，合束激光通过真空腔6上的第一窗片601转为空间光。聚光透镜组7、二氧化硅微型颗粒8和微波天线9均位于真空腔6内部，且聚光透镜组7包括第一透镜和第二透镜，相对放置在空间光的光路上，两个透镜的焦点重合，二氧化硅微型颗粒8位于两个透镜之间的焦点处。其中，第一透镜的中心轴与第二透镜的中心轴与入射光路共轴，且第一透镜靠近合束器4设置，第二透镜靠近出射光路上的第一分束器12设置。

微波天线9位于垂直于空间光的光路上，且微波天线9对准二氧化硅微型颗粒8。

入射光路的光纤输出端与出射光路的光纤输入端分别固连在真空腔6的两端，为了确保光束能够稳定高效传输，入射光路的光纤输出端固定在所述第一窗片601上，出射光路的光纤输入端固定在第二窗片602上。

合束激光通过真空腔6上的第一窗片601透过聚光透镜组7的一个透镜，将合束器4经入射光路的光纤输出端输出的合束激光聚焦到二氧化硅微型颗粒8上，实现二氧化硅微型颗粒8的悬浮和激发。聚光透镜组7的另一透镜收集透射二氧化硅微型颗粒8的合束激光以及激发二氧化硅微型颗粒8所产生的荧光，收集到的光信息经过真空腔6的第二窗片602后耦合入出射光路的光纤输入端，继续出射光路的传输。

微波天线9通过微波线缆10连接位于真空腔6外的微波系统11。

二氧化硅微型颗粒8上生长含有均匀分布取向一致的NV色心金刚石薄膜。准备二氧化硅微型颗粒8时，先准备经过去荧光处理的二氧化硅材料作为悬浮颗粒，尺寸在100-1000 nm范围内，一般应具有双折射效应。且在二氧化硅颗粒表面生长金刚石薄膜，并通过电子辐照和退火处理等工艺处理后金刚石薄膜内含有NV色心。

由于聚光透镜组7的强聚焦作用，二氧化硅微型颗粒8将被光压悬浮于真空腔内，从而在不影响激光激发检测和微波操控的情况下，使二氧化硅微型颗粒8表面金刚石薄膜所含的NV色心脱离了系统部件的固连。基于二氧化硅微型颗粒的双折射效应，经过圆极化后的悬浮激光将一部分自旋角动量转化为二氧化硅微型颗粒8的空间旋转角动量，进而使得二氧化硅微型颗粒以及NV色心实现了相对于整体系统的独立高速旋转，如图2所示。与此同时， NV色心也在高速空间旋转的过程中累积了几何相，通过后续检测和数据提取等步骤，可由该几何相解算出颗粒的旋转角速度。在上述悬浮及旋转过程中，532nm激光对NV色心进行自旋激发与检测操作，微波天线9根据NV色心的共振频率特性对其施加3GHz左右的微波电磁场进行自旋操控，经过532nm激光激发和微波操控后，NV色心将发出能够表征几何相信息的荧光，该荧光将与其他激光共同通过聚光透镜7的后续光路收集到出射光纤中。

出射光路和入射光路共轴，出射光路上，真空腔6、第一分束器12、第二分束器13、第二光纤型λ/4可调波片14和偏振分束器15依次通过光纤2连接；荧光探测器17、质心探测器18、差分探测器19分别通过具有多模保偏特性的光纤2与第一分束器12、第二分束器13、偏振分束器15一一对应连接，实现光的传输；荧光探测器17、质心探测器18、差分探测器19还通过电缆与数据处理与分析系统20连接；荧光探测器17上还设置有滤波片16。

出射激光经过第一分束器12按照功率平分的方式分为两束，一半光束传输到透射波长范围为600-800nm的带通滤波片16，过滤出来的荧光由荧光探测器17收集。另一半光束通过第二分束器13后再次分为两束：一束进入质心探测器18，由其检测悬浮颗粒的质心运动情况，另一束通过第二光纤型λ/4可调波片14和偏振分束器15，进入差分探测器19的两端，由其检测悬浮激光的偏振信息所代表的二氧化硅微型颗粒旋转信息；所述数据处理与分析系统20对所述荧光探测器17、质心探测器18和差分探测器19测得的数据进行处理与分析。

根据荧光探测器17探测到的荧光中所包含的NV色心累积的几何相Φ，如图2所示，根据Φ=ωt，计算得到二氧化硅微型颗粒8的旋转角速度ω；其中，t为作用时间。另一半光束通过第二分束器13后再次分为两束，一半光束到达质心探测器18来检测悬浮颗粒的质心运动情况，用于在实验和测量过程中观察二氧化硅微型颗粒8的悬浮过程和运动状态，便于实时进行实验和测试的整体规划和参数调整。第二分束器13之后的另一半光束依次经过第二光纤型可调波片14（作用等同于1/2波片）和偏振分束器15到达差分探测器19，并通过差分探测器19的两个检测端分别检测出悬浮激光的不同偏振信息，并由此解算出悬浮激光在经过悬浮颗粒8前后的能量变化，这一能量变化即代表了二氧化硅微型颗粒8所吸收的角动量并由此可以推算出悬浮颗粒的旋转信息，为后续由NV色心几何相解算出的旋转角速度信息进行比对和验证。最后，通过数据处理与分析系统20将荧光探测器17、质心探测器18、差分探测器19检测到的光学信息进行逐一分析和处理，通过实时调节二氧化硅微型颗粒悬浮和运动状态，最终得到准确的角速度测量数据。

利用本发明的装置进行光悬浮角速度测量方法的步骤具体如下：

设定悬浮激光器1和激发激光器5的功率，使其分别发出1565 nm波长的悬浮激光和532 nm波长的激发激光；悬浮激光经过第一光纤型λ/4可调波片3后被转换为圆偏振光，与激发激光器5发出的激发激光通过合束器4合束后，入射到位于真空腔6中的聚光透镜组7中的一个透镜后，聚焦在二氧化硅微型颗粒8上，使得二氧化硅微型颗粒8悬浮。

调节微波系统11的频率，使微波天线工作在相应频率，为微型颗粒8提供微波电磁场，并操控微型颗粒8的自旋。

聚光透镜组7中的另一个透镜收集透射二氧化硅微型颗粒8的合束激光以及二氧化硅微型颗粒被激发后所产生的荧光，并将收集到的光信息经过真空腔后耦合入光纤，继续出射光路的传输；

出射光路经过第一分束器12分为两束，其中一束传输到滤波片16，过滤出来的荧光由荧光探测器17收集；另一束通过第二分束器13分束后，其中一束进入质心探测器18，由其检测质心运动情况；另一束通过第二光纤型λ/4可调波片14和偏振分束器15，进入差分探测器19的两端，由其检测悬浮激光的偏振信息所代表的微型颗粒旋转信息；所述数据处理与分析系统对所述荧光探测器、质心探测器和差分探测器测得的数据进行处理与分析。

调整第一光纤型λ/4可调波片3，使二氧化硅微型颗粒8实现高速旋转，根据质心探测器18和差分探测器19探测结果解算出初步旋转信息；

实时调整悬浮激光器1和激发激光器5的功率以及第一光纤型λ/4可调波片3的参数，待质心探测器18和差分探测器19两者信号稳定（信号抖动在5%以下认为信号稳定）后，改变微波系统11的操控脉冲形式，通过荧光探测器17得到二氧化硅微型颗粒的NV色心发出的荧光信号。通过上位机数据处理得到荧光变化随时间的变化规律，由荧光变化值解算出NV色心累积的几何相Φ，并根据几何相与旋转角速度关系Φ=ωt，计算得到二氧化硅微型颗粒8的旋转角速度ω，其中，t为作用时间。

最终测试数据变化规律如图3和图4所示，该测试结果证明本发明所提的装置和方法可以利用光悬浮固态原子自旋微型颗粒，通过荧光检测来解读几何相的方案实现角速度的高精度测量。

通过本发明提出的光悬浮固体原子自旋方法，可实现固体自旋样品与整体测量系统非接触、非固连的独立、高速旋转，并最终通过NV色心几何相原理对其角速度进行测量和解算。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例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。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，该装置用于测量二氧化硅微型颗粒（8）的光悬浮角速度，所述二氧化硅微型颗粒（8）上生长含有均匀分布取向一致的NV色心金刚石薄膜；

该装置包括入射光路、出射光路、真空腔（6），以及位于所述真空腔（6）内的聚光透镜组（7）、微波天线（9）；

所述微波天线（9）对准所述二氧化硅微型颗粒（8），且所述微波天线（9）通过微波线缆（10）连接位于所述真空腔（6）外的微波系统（11）；

所述入射光路上，悬浮激光器（1）、第一光纤型λ/4可调波片（3）、合束器（4）、真空腔（6）依次通过光纤连接，激发激光器（5）也通过光纤连接合束器（4）；所述聚光透镜组（7）的中心位于所述入射光路上，测量时二氧化硅微型颗粒（8）放置在所述聚光透镜组（7）的中心，所述聚光透镜组（7）用于将所述合束器（4）输出的合束激光聚焦到所述二氧化硅微型颗粒（8）上以实现所述二氧化硅微型颗粒（8）的悬浮和激发；

所述出射光路上，真空腔（6）、第一分束器（12）、第二分束器（13）、第二光纤型λ/4可调波片（14）和偏振分束器（15）依次通过光纤连接；荧光探测器（17）、质心探测器（18）、差分探测器（19）分别通过光纤与第一分束器（12）、第二分束器（13）、偏振分束器（15）一一对应连接，荧光探测器（17）、质心探测器（18）、差分探测器（19）与数据处理与分析系统（20）连接；荧光探测器（17）上还设置有滤波片（16）；

所述数据处理与分析系统（20）采集质心探测器（18）和差分探测器（19）探测结果确定颗粒悬浮状态，再通过荧光探测器（17）得到二氧化硅微型颗粒的NV色心荧光信息从而解算出相应旋转角速度信息。

2.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述二氧化硅微型颗粒（8）的尺寸在100-1000 nm范围内。

3.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述滤波片（16）为带通滤波片，波长透射范围为600-800 nm。

4.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述悬浮激光器（1）的工作波长为1565 nm，所述激发激光器（5）的工作波长为532nm。

5.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述入射光路和出射光路共轴，所述聚光透镜组（7）的中心位于所述入射光路和出射光路的轴线上。

6.根据权利要求5所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述聚光透镜组（7）包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和第二透镜相对而设，焦点重合，所述二氧化硅微型颗粒（8）位于所述第一透镜和第二透镜的焦点处；

其中，所述第一透镜的中心轴与所述第二透镜的中心轴与所述入射光路、出射光路共轴，且所述第一透镜靠近所述合束器（4）设置，所述第二透镜靠近所述第一分束器（12）设置；

所述第一透镜用于将所述合束器（4）经所述入射光路的光纤输出端输出的合束激光聚焦到所述二氧化硅微型颗粒（8）上以实现所述二氧化硅微型颗粒（8）的悬浮和激发；所述第二透镜用于收集所述二氧化硅微型颗粒（8）透射的合束激光以及激发所述二氧化硅微型颗粒（8）所产生的荧光并传输给所述出射光路。

7.根据权利要求6所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述真空腔（6）的外壁两侧分别设有第一窗片（601）和第二窗片（602），所述合束器（4）输出的合束激光经过所述第一窗片（601）传输至所述第一透镜；所述第二透镜收集的合束激光及荧光通过所述第二窗片（602）进入所述出射光路的光纤输入端，以在所述出射光路上的真空腔（6）、第一分束器（12）、第二分束器（13）、第二光纤型λ/4可调波片（14）和偏振分束器（15）依次传输。

8.根据权利要求7所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述入射光路的光纤输出端固定在所述第一窗片（601）上；所述出射光路的光纤输入端固定在所述第二窗片（602）上。

9.一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至8中任意一项所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置来实现，该测量方法具体为：

调整第一光纤型λ/4可调波片（3），使二氧化硅微型颗粒（8）实现高速旋转，根据质心探测器（18）和差分探测器（19）探测结果确定颗粒悬浮状态，并解算出初步旋转信息；实时调整悬浮激光器（1）和激发激光器（5）的功率以及第一光纤型λ/4可调波片（3）的参数，待质心探测器（18）和差分探测器（19）两者信号稳定后，改变微波系统（11）的操控脉冲形式，通过荧光探测器（17）得到二氧化硅微型颗粒的NV色心累积的几何相Φ，根据Φ=ωt，计算得到二氧化硅微型颗粒（8）的旋转角速度ω；其中，t为作用时间。

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