CN114460383A - 基于固态自旋复合体系的电磁测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于固态自旋复合体系的电磁测量方法，包括：对固态自旋复合体系施加稳恒磁场，其中，固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元与磁电耦合材料组成；对磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系；将预处理复合体系置于待测磁场中，对磁电耦合材料施加调制场，以对待测磁场进行测量；将预处理复合体系置于待测电场中，以对待测电场进行测量。本发明提供的电磁测量方法具有更高的灵敏度，且实现了低频噪声抑制。

Description

基于固态自旋复合体系的电磁测量方法及装置

技术领域

本发明涉及磁场测量和电场测量方法的技术领域，具体涉及一种基于固态自旋复合体系的电磁测量方法及装置。

背景技术

磁场测量是指对空间或磁性材料中磁通、磁通密度、磁通势、磁场强度等的测量。空间的磁通密度与磁场强度成比例关系，空间磁场强度的测量，实质上也是磁通密度的测量。其中，微弱磁场测量在地磁导航、地质资源勘探、科学研究、国防建设与医疗仪器等领域都有广泛应用。现阶段用于微弱磁场测量的传感器类型较多，主要包括磁通门传感器、探测线圈传感器、磁阻传感器、巨磁阻抗磁传感器、量子超导干涉仪、基于固态自旋的磁传感器等。其主要存在灵敏度低、空间分辨率低、使用条件苛刻、成本较高等问题。

电场测量是指电场强度的测量。为获得各种传播数据和参量供无线电路进行正确设计，需要对接收地点的电场强度进行测量。电场强度的测量在解决电磁兼容问题时亦是一项重要工作。在现有技术中，利用逆压电效应测量电场的方法的电场测量灵敏度为20V/m/√Hz。其灵敏度较低，需要一种灵敏度更高的测量方法。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了基于固态自旋复合体系的电磁测量方法及装置。

根据本发明的第一个方面，提供了一种基于固态自旋复合体系的电磁测量方法，包括：对固态自旋复合体系施加稳恒磁场，其中，固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元与磁电耦合材料组成；对磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系；将预处理复合体系置于待测磁场中，对磁电耦合材料施加调制场，以对待测磁场进行测量；将预处理复合体系置于待测电场中，以对待测电场进行测量。

根据本发明的实施例，磁敏感单元为基于固态自旋的磁敏感单元，基于固态自旋的磁敏感单元为包含NV色心系综的金刚石。

根据本发明的实施例，磁电耦合材料的磁学性质可以被作用于其上的电场调控。

根据本发明的实施例，对磁电耦合材料施加调制场包括：将信号发生器连接于磁电耦合材料；通过信号发生器对磁电耦合材料施加调制场，其中，调制场为交变电场。

根据本发明的实施例，对磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系包括：对磁敏感单元施加预设波长和预设光强的激发光，以对磁敏感单元进行连续激发；对磁敏感单元施加预设频率和预设磁场强度的操控场，得到预处理复合体系。

根据本发明的实施例，通过检测自旋系综产生特征信号周期振荡幅度的变化对所述待测磁场进行测量包括：所述特征信号为磁敏感单元发出的荧光信号；测得荧光信号强度的周期性变化幅度；根据同频参考信号解调荧光强度周期性变化幅度，实现测量待测磁场。

根据本发明的实施例，通过检测自旋系综产生特征信号的变化对所述待测电场进行测量包括：所述特征信号为磁敏感单元发出的荧光信号；测得荧光信号强度的变化；根据荧光强度与待测电场强度间线性关系，通过荧光强度变化反解，实现测量待测电场。

根据本发明的实施例，对磁敏感单元施加预设波长和预设光强的激发光包括：光源发出预设波长和光强的激发光；通过透镜对激发光进行准直和聚焦，以使激发光照射在磁敏感单元上。

根据本发明的实施例，对磁敏感单元施加预设频率和预设磁场强度的操控场包括：将固态自旋复合体系设置于微带天线上；通过连接于微带天线上的微波源调控微带天线，微带天线发射预设频率和预设磁场强度的操控场，操控场为均匀高频磁场。

根据本发明的第二个方面，提供了一种采用上述测量方法的电磁测量装置。根据本发明的实施例，包括：稳恒磁场单元，用于对固态自旋复合体系施加稳恒磁场，其中，固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元与磁电耦合材料组成；预处理单元，用于对磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系；磁场测量单元，用于将预处理复合体系置于待测磁场中，对磁电耦合材料施加调制场，以对待测磁场进行测量；电场测量单元，用于将预处理复合体系置于待测电场中，以对待测电场进行测量。

附图说明

图1示意性示出了本发明基于固态自旋复合体系的电磁测量方法的流程图；

图2示意性示出了本发明基于固态自旋复合体系的电磁测量装置的结构框图；

图3示意性示出了本发明一实施例中的磁场测量装置的结构图；

图4示意性示出了本发明一实施例中的电场测量装置的结构图；

图5示意性示出了本发明一实施例的磁场测量的噪声对比图。

【附图标记说明】

1-操控源；2-电源；3-稳恒磁场装置；4-光源；5-调制源；6-透镜；

7-微带天线；8-基于固态自旋的磁敏感单元；9-磁电耦合材料；10-磁屏蔽装置。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

为解决上述磁场测量和电场测量中的一系列问题，本发明提出了一种基于固态自旋复合体系的电磁测量方法及装置。其中，采用的固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元和磁电耦合材料制备而成，可选的，将基于固态自旋的磁敏感单元与磁电耦合材料制备成上下两层的固态自旋复合体系。利用磁电耦合材料磁学性质可被电场调控的特点，通过作用于其上的电场改变磁场空间的分布，并由磁敏感单元进行探测，实现基于磁通调制的磁场测量。并通过磁敏感单元测得特征信号反解实现电场测量。

磁电耦合材料具有磁电效应，磁电效应指材料磁化强度和电极化强度的耦合。磁电耦合材料电极化强度可以被磁场调控，称为正磁电效应；相应的，其磁化强度可以被电场调控，称为逆磁电效应。磁电耦合材料在信息存储方面具有广泛应用。磁通调制指通过某种手段改变磁通大小和频率的技术。利用磁通调制技术可以将磁场调制为特定幅度、特定频率的交变磁场。其在磁场测量方面的应用主要包括利用磁通调制技术抑制磁场测量装置低频噪声以及利用磁通调制技术增加磁场测量装置工作模式等。

在外磁场的作用下，基于固态自旋的磁敏感单元中的电子的能级会根据自旋量子数的不同发生劈裂，原本的单个能级将劈裂为若干个磁次能级，称为塞曼效应。基于磁共振原理，当从外部施加特定频率的电磁场时，电子可以在不同的磁次能级之间跃迁。磁共振现象指物质中自旋磁矩不为0时，在固定磁场作用下的自旋磁矩对特定频率电磁场的辐射能进行吸收的现象。磁共振现象可应用于对物质的结构和成分的无损探测以及对外界的物理量的测量。

参见图1，图1示意性示出了本发明基于固态自旋复合体系的电磁测量方法的流程图，可分别实现电场或磁场中的一类测量，包括步骤S101～S104：

在步骤S101中，对固态自旋复合体系施加稳恒磁场，其中，固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元与磁电耦合材料组成。

在步骤S102中，对磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系。激发光使磁敏感单元中自旋系综在基态与激发态之间跃迁，操控场使磁敏感单元中自旋系综的两个能级间发生共振。

在步骤S103中，将预处理复合体系置于待测磁场中，对磁电耦合材料施加调制场，以对待测磁场进行测量。其中，对待测磁场进行测量包括：保持操控场、激发光以及稳恒磁场不变，对磁电耦合材料施加调制场，在待测磁场作用下，磁敏感单元中自旋系综塞曼劈裂能级差产生周期变化，通过检测自旋系综产生特征信号周期振荡幅度的变化对待测磁场进行测量。

在步骤S104中，将预处理复合体系置于待测电场中，以对待测电场进行测量。其中，对待测电场进行测量包括：保持操控场、激发光以及稳恒磁场不变，在待测电场作用下，磁敏感单元中自旋系综塞曼劈裂能级差改变，通过检测自旋系综产生特征信号的变化对待测电场进行测量。

在本发明一实施例中，固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元与磁电耦合材料组成。在步骤S101中，对固态自旋复合体系施加预设强度的稳恒磁场，在该预设强度的稳恒磁场作用下，磁电耦合材料被极化，磁敏感单元中自旋系综的能级发生塞曼劈裂，能级简并解除，即单个能级将劈裂为若干个磁次能级。基于固态自旋的磁敏感单元为包含NV色心系综的金刚石。

金刚石中氮-空位(NV)色心自旋体系是一种优良的固态自旋体系。NV色心中电子自旋对弱磁场十分敏感，其室温下量子相干时间可达毫秒量级，且具有良好的光学极化和读出特性。NV色心电子自旋量子数S＝1。由于自旋-自旋相互作用，在没有外磁场时，NV色心电子自旋的m_s＝0和m_s＝±1能级也会发生劈裂，称为零场劈裂。在外加磁场的情况下，由于塞曼效应，m_s＝±1能级间同样会发生劈裂，劈裂大小依赖于外磁场大小，因此，可以通过检测m_s＝0能级和m_s＝+1能级之间或m_s＝0能级和m_s＝-1能级之间的跃迁共振频率变化，实现对外磁场的测量。利用NV色心固态自旋体系进行磁场测量时，通常需要对NV色心施加激发光进行激发，并利用微波场操控NV色心电子自旋态，最后通过NV色心所发出荧光等进行读出。根据利用NV色心的数量，通常可分为单NV色心磁场测量和NV色心系综磁场测量。单NV色心指单个NV色心，利用单个NV色心进行磁场测量时，一般采用共聚焦光路，通过物镜聚焦激发光，并采用雪崩光电二极管进行荧光的探测。NV色心系综(或自旋系综)一般指大量NV色心(例如10⁶个自旋以上)构成的系综。本发明在利用NV色心系综进行电磁场测量时，通过透镜聚焦激发光，并采用光电二极管进行荧光的探测，还需要使用特殊的微带天线，为NV色心系综提供空间上均匀的微波场。

在本发明又一实施例中，步骤S102包括：对磁敏感单元施加预设波长和预设光强的激发光，以对磁敏感单元进行连续激发；对磁敏感单元施加预设频率和预设磁场强度的操控场，得到预处理复合体系。其中，本发明通过对磁敏感单元施加预设波长和预设光强的激发光，使磁敏感单元中自旋系综在基态和激发态之间跃迁，从而对磁敏感单元进行连续的激发操控。本发明还通过对磁敏感单元施加预设频率和预设磁场强度的操控场，使磁敏感单元中自旋系综基态m_s＝0能级与m_s＝1或m_s＝-1能级发生共振，自旋布居度改变。本发明通过施加操控场和激发光，使体系达到的新的平衡态。在此基础上，固态自旋复合体系的自旋布局度对外磁场存在响应，得到了预处理的复合体系。

可选地，对磁敏感单元施加预设波长和预设光强的激发光包括：光源发出预设波长和光强的激光；通过透镜对激光进行准直和聚焦，以使激光照射在磁敏感单元上。可选地，对基于固态自旋的磁敏感单元施加预设频率和预设磁场强度的操控场包括：将固态自旋复合体系设置于微带天线上；通过连接于微带天线上的微波源调控微带天线，微带天线发射预设频率和预设磁场强度的操控场，操控场为均匀高频磁场。

在本发明又一实施例中，步骤S103包括：将预处理复合体系置于待测磁场中；对磁电耦合材料施加调制场；保持稳恒磁场、激发光、操控场及调制场不变，根据磁敏感单元的特征信号测量待测磁场。其中，对磁电耦合材料施加调制场包括：将信号发生器连接于磁电耦合材料；通过信号发生器对磁电耦合材料施加调制场，其中，调制场为交变电场。

在电场作用下，由逆磁电效应，磁电耦合材料磁化强度改变。由磁化强度与磁导率间关系可知，磁电耦合材料磁化强度的改变会导致磁电耦合材料磁导率的改变，从而使得磁场的空间分布发生变化。逆磁电效应可以分为两种：原子(离子)位移型和纯电子(极化载流子)移动型。前者一般由构成磁电耦合材料的两种材料在交界面上的机械关联产生，后者一般由载流子在构成磁电耦合材料的两种材料交界面上聚集产生。因此，该调制场使磁电耦合材料磁导率周期性变化，引起磁场空间分布周期性变化，磁敏感单元中自旋系综的塞曼劈裂能级差周期性变化。

进一步地，在不同强度待测磁场的作用下，能级之间的塞曼劈裂不同，且体系的自旋布居度对外磁场存在响应。当磁敏感单元置于待测磁场中时，总外磁场强度发生变化，自旋布居度因此改变，引起特征信号的强度发生变化。通过检测特征信号可以实现对待测磁场的测量。根据磁敏感单元的特征信号测量待测磁场包括：所述特征信号为磁敏感单元发出的荧光信号；测得荧光信号强度的周期性变化幅度；根据同频参考信号解调荧光强度周期性变化幅度，实现测量待测磁场。

通过对磁电耦合材料施加电场调控其磁导率，使得作用在磁敏感单元的自旋系综的磁场大小周期性变化，导致磁敏感单元的荧光强度周期性变化。在测量过程中，待测磁场使得荧光强度周期性变化幅度改变，利用锁相方法，即通过同频参考信号解调得到荧光强度周期性变化幅度，实现对待测磁场的测量。因为锁相方法只探测特定频率信号，由环境温度漂移以及机械结构形变引入的低频噪声会被滤除，从而实现对低频噪声的抑制。参见图5，图5示意性示出了本发明一实施例的磁场测量的噪声对比图，其展示了典型结果中的噪声和基于固态自旋复合体系的磁场测量结果中的噪声，表明本发明提供的方法具有大约10倍的低频噪声抑制效果。

可选地，本发明还可采用动力学去耦序列延长磁敏感单元的相干时间，从而综合提升基于固态自旋复合体系的磁场测量的灵敏度。

在本发明又一实施例中，步骤S104包括：将预处理复合体系置于待测电场中；保持稳恒磁场、激发光及操控场不变，根据磁敏感单元的特征信号测量待测电场。

进一步地，根据磁敏感单元的特征信号测量待测电场包括：所述特征信号为磁敏感单元发出的荧光信号；测得荧光信号的强度变化；根据荧光强度与待测电场间线性关系，通过荧光强度变化反解，实现测量待测电场。

利用磁敏感单元测量待测电场作用在磁电耦合材料上引起的磁场变化，通过荧光强度的变化反解待测电场。在没有其他干扰时，可以认为在没有待测电场情况下，荧光强度保持稳定，位于一初始值，当将预处理复合体系置于待测电场中，荧光强度发生变化，即荧光强度上升或者下降，荧光强度由初始值变为一测量值，则荧光强度的变化为该初始值和测量值之间的变化，其全部来源于待测电场。磁敏感单元为含有较高浓度NV色心系综的金刚石，在电场测量过程中利用的NV色心数量可以达到10⁹量级，从而使荧光强度对待测电场十分敏感，令这种电场测量方法具有接近现有国际最高指标的灵敏度7.2×10^-2V/m/√Hz。可选地，可采用磁屏蔽装置，将该预处理复合体系置于该装置中，用于屏蔽环境磁场的其他干扰。可选地，特征信号还可以选为磁敏感单元发出的红外光、磁敏感单元吸收的激发光或磁敏感单元吸收的操控场。基于上述测量方法，本发明还提供了一种基于固态自旋复合体系的电磁测量装置，以下将结合图2进行详细描述。

图2示意性示出了本发明基于固态自旋复合体系的电磁测量装置的结构框图。

如图2所示基于固态自旋复合体系的电磁测量装置200包括：稳恒磁场单元201、预处理单元202、磁场测量单元203及电场测量单元204。

稳恒磁场单元201，用于对固态自旋复合体系施加稳恒磁场，其中，固态自旋复合体系由磁敏感单元与磁电耦合材料组成。在一实施例中，稳恒磁场单元201可以用于执行前文描述的操作S101，在此不再赘述。

预处理单元202，用于对磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理固态自旋复合体系。在一实施例中，预处理单元202可以用于执行前文描述的操作S102，在此不再赘述。

磁场测量单元203，用于将预处理固态自旋复合体系置于待测磁场中，对磁电耦合材料施加调制场，以对待测磁场进行测量。在一实施例中，磁场测量单元203可以用于执行前文描述的操作S103，在此不再赘述。

电场测量单元204，用于将预处理固态自旋复合体系置于待测电场中，以对待测电场进行测量。在一实施例中，电场测量单元204可以用于执行前文描述的操作S104，在此不再赘述。

下面将结合图3及图4分别介绍本发明的两个具体的实施例。

图3示意性示出了本发明一实施例中的磁场测量装置的结构图。

固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元8和磁电耦合材料9构成，位于微带天线7上。微带天线7与操控源1相连接，为基于固态自旋的磁敏感单元8提供操控场。光源4可以发出特定波长的激光，经过透镜6准直、聚焦等操作后照射在基于固态自旋的磁敏感单元8上，为基于固态自旋的磁敏感单元8提供激发光。在固态自旋复合体系外侧还有稳恒磁场装置3，其与电源2连接，对固态自旋复合体系施加特定强度的稳恒磁场。调制源5通过导线和导电银胶与磁电耦合材料9表面金属电极相连，使调制场作用于磁电耦合材料上。操控源1为微波源，稳恒磁场装置3为稳恒磁场线圈，光源4为激光器，调制源5为信号发生器。

其中，磁电耦合材料9由La_1-xSr_xMnO₃薄膜和BaTiO₃薄膜构成。La_1-xSr_xMnO₃是一种类钙钛矿型锰氧化物，具有铁磁性，BaTiO₃是一种钙钛矿型氧化物，室温下具有铁电性。通过在La_1-xSr_xMnO₃薄膜上生长BaTiO₃薄膜即可得到磁电耦合材料。对于磁电耦合材料，当电场作用于BaTiO₃上时，由于场效应，电子会在La_1-xSr_xMnO₃和BaTiO₃交界面附近聚集，并生成对应的空穴。经由该过程，载流子(电子和空穴)会通过交界面在La_1-xSr_xMnO₃和BaTiO₃间转移，这种载流子转移使得La_1-xSr_xMnO₃磁化强度发生改变。基于此原理，可以通过电场调控该磁电耦合材料磁学性质。

基于固态自旋的磁敏感单元8为具有NV色心系综的金刚石，NV色心由氮缺陷和邻近空穴组成。NV色心未成对电子组成一个自旋三重态-单态体系。其三重态的基态³E与第一激发态³A₂之间的能极差为1.945eV，对应的零声子线是637nm。当用一束能量大于或等于1.945eV的激发光激发NV色心时，NV色心电子会被激发至激发态。处在激发态的NV色心电子回到基态的方式依赖于电子的自旋状态：当电子自旋处在激发态m_s＝0的能级上时，电子会直接退激发回到基态的m_s＝0能级上，并发出光子；当电子自旋处在激发态m_s＝±1的能级上时，电子会有较大概率经过单态豫驰到基态的m_s＝0能级上，不会有光子发出，也会有一定概率直接退激发回到基态的m_s＝0能级上，发出光子。因此，NV色心受激发射荧光强度依赖于电子的自旋状态。由于自旋-自旋相互作用，在没有外磁场时，NV色心电子自旋的m_s＝0和m_s＝±1能级也会发生劈裂，称为零场劈裂。对基态而言，室温下的零场劈裂约为2.87GHz，处于微波波段，因此可以利用磁共振原理，通过微波使NV色心电子在基态的m_s＝0和m_s＝±1能级之间跃迁。在激发光与微波的共同作用下，NV色心会发出一定强度的荧光，当磁场变化时，荧光强度发生变化。基于此原理，NV色心可以用于测量外磁场。

对于典型的基于NV色心的磁场测量方法，需要在测量时施加较大的偏置磁场，使m_s＝±1能级完全退简并。在施加连续的激发光后，再施加频率与m_s＝0和m_s＝+1能级之间或者m_s＝0和m_s＝-1能级之间共振频率一致的连续微波，得到固定强度的荧光信号。当存在待测磁场时，塞曼劈裂能级差改变导致共振频率发生变化，此时施加的微波频率偏离共振频率，处在基态的NV色心电子自旋状态改变，荧光信号的强度发生变化，通过检测荧光强度的变化来测量外磁场。对于典型的测量方法，环境温度漂移导致零场劈裂的变化同样会引起微波频率偏离共振频率，导致荧光强度改变，系统机械结构形变会使得激发光偏离先前激发区域，同样会导致荧光强度改变。由于环境温度漂移以及机械结构形变均为慢变过程且与待测磁场无关，因此会在测量结果中引入低频噪声。

基于固态自旋复合体系的磁场测量方法，通过对磁电耦合材料施加电场调控其磁导率，使得作用在NV色心系综的磁场大小周期性变化，导致荧光强度周期性变化。在测量过程中，待测磁场使得荧光强度周期性变化幅度改变，利用锁相方法，通过同频参考信号解调得到荧光强度周期性变化幅度，实现对待测磁场的测量。因为锁相方法只探测特定频率信号，由环境温度漂移以及机械结构形变引入的低频噪声会被滤除，从而实现对低频噪声的抑制。

光源4为激光器，激光器出射激光的波长为532nm。透镜5用于对激光器出射的激光进行准直以及聚焦处理，照射到基于固态自旋的磁敏感单元8的预设位置。基于固态自旋的磁敏感单元的典型尺寸为1mm×1mm×0.4mm。操控源1为微波源，用于使微带天线7产生微波场，微波场为操控场，即操控场为高频磁场。电源2用于驱动稳恒磁场装置3形成稳恒磁场，稳恒磁场装置3为稳恒磁场线圈。调制源5为信号发生器，用于使交变电场作用于磁电耦合材料9上，交变电场为调制场。磁电耦合材料由La_1-xSr_xMnO₃薄膜和BaTiO₃薄膜构成，用于在调制场作用下使磁场空间分布周期性变化。La_1-xSr_xMnO₃薄膜的典型尺寸为1mm×1mm×250nm，BaTiO₃薄膜的典型尺寸为1mm×1mm×250nm。特征信号为磁敏感单元发出的荧光信号。本发明选择的磁电耦合材料典型尺寸为1mm×1mm×500nm左右，其更容易实现通过电压有效改变材料的磁导率，调制效率较高，同时降低了系统的体积，增加了系统的空间分辨率。

图4示意性示出了本发明一实施例中的电场测量装置的结构图。

固态自旋复合体系由基于固态自旋的磁敏感单元8和磁电耦合材料9构成，位于微带天线7上。该微带天线7与操控源1相连接，为基于固态自旋的磁敏感单元8提供操控场。光源4可以发出特定波长的激光，经过透镜6准直、聚焦等操作后照射在基于固态自旋的磁敏感单元8上，为基于固态自旋的磁敏感单元8提供激光。在固态自旋复合体系外侧还有稳恒磁场装置3，对固态自旋复合体系施加特定强度的稳恒磁场。磁屏蔽装置10包围固态自旋复合体系、稳恒磁场装置3以及微带天线7，屏蔽环境磁场干扰。

其中，磁电耦合材料9由块状Terfenol-D和块状PZT构成。Terfenol-D是一种稀土超磁致伸缩材料，具有压磁效应，PZT是一种钙钛矿结构压电陶瓷材料，具有逆压电效应。将块状Terfenol-D和块状PZT在真空环境下紧密胶合即可得到磁电耦合材料9。对于磁电耦合材料9，当电场作用于PZT上时，由于逆压电效应，PZT会对Terfenol-D施加应力，应力大小与电场大小成正比。由于压磁效应，Terfenol-D内部磁畴会在应力作用下重新排布，磁化强度改变。基于此原理，可以通过电场调控该磁电耦合材料磁学性质。

基于固态自旋的磁敏感单元8为具有NV色心系综的金刚石，NV色心由氮缺陷和邻近空穴组成。NV色心未成对电子组成一个自旋三重态-单态体系。其三重态的基态³E与第一激发态³A₂之间的能极差为1.945eV，对应的零声子线是637nm。当用一束能量大于或等于1.945eV的激发光激发NV色心时，NV色心电子会被激发至激发态。处在激发态的NV色心电子回到基态的方式依赖于电子的自旋状态：当电子自旋处在激发态m_s＝0的能级上时，电子会直接退激发回到基态的m_s＝0能级上，并发出光子；当电子自旋处在激发态m_s＝±1的能级上时，电子会有较大概率经过单态豫驰到基态的m_s＝0能级上，不会有光子发出，也会有一定概率直接退激发回到基态的m_s＝0能级上，发出光子。因此，NV色心受激发射荧光强度依赖于电子的自旋状态。由于自旋-自旋相互作用，在没有外磁场时，NV色心电子自旋的m_s＝0和m_s＝±1能级也会发生劈裂，称为零场劈裂。对基态而言，室温下的零场劈裂约为2.87GHz，处于微波波段，因此可以利用磁共振原理，通过微波使NV色心电子在基态的m_s＝0和m_s＝±1能级之间跃迁。在激发光与微波的共同作用下，NV色心会发出一定强度的荧光，当磁场变化时，荧光强度发生变化。

利用NV色心测量待测电场作用在磁电耦合材料上引起的磁场变化，通过荧光强度的变化反解待测电场。由于系统处于磁屏蔽环境中，可以认为在没有待测电场情况下，荧光强度保持稳定，则荧光强度的变化全部来源于待测电场。基于此原理，实现对待测电场的测量。

光源4为激光器，激光器出射激光的波长为532nm。透镜6用于对激光器出射的激光进行准直以及聚焦处理，照射到基于固态自旋的磁敏感单元8的预设位置。基于固态自旋的磁敏感单元8的典型尺寸为0.2mm×0.2mm×0.2mm。操控源1为微波源，用于使微带天线7产生微波场，微波场为操控场，即操控场为高频磁场。稳恒磁场装置3为海尔贝克阵列，用于对固态自旋复合体系施加稳恒磁场。磁电耦合材料9由块状Terfenol-D和块状PZT构成，用于在待测电场作用下改变磁场空间分布。块状Terfenol-D的典型尺寸为1mm×1mm×1mm，块状PZT的典型尺寸为1mm×1mm×0.5mm。磁屏蔽装置10为磁屏蔽外壳，用于屏蔽环境磁场干扰。特征信号为磁敏感单元发出的荧光信号。

本发明提供一种基于固态自旋复合体系的电磁测量方法及装置，有益效果如下：

本发明的基于磁通调制的磁场测量方法可以将基于固态自旋的磁敏感单元的特征信号调制到高频，并通过锁相方法进行探测。特征信号中由环境温度漂移、机械结构形变等引入的低频噪声会在锁相探测过程中被滤除，实现对低频噪声的抑制。

本发明的基于磁通调制的磁场测量方法可以将作用在基于固态自旋的磁敏感单元上的磁场调制到高频，并利用动力学去耦序列延长磁敏感单元的相干时间，从而综合提升体系的磁场测量灵敏度。

本发明的电场测量方法，在测量过程中利用的传感自旋数量可达10⁹量级，自旋系综的利用可以显著提升特征信号对待测电场引发磁场变化的响应，使体系具有较高的电场测量灵敏度。

本发明的电磁测量方法可以实现对电磁场的测量，具有更广泛的应用场景。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于固态自旋复合体系的电磁测量方法，其特征在于，包括：

对固态自旋复合体系施加稳恒磁场，其中，所述固态自旋复合体系由磁敏感单元与磁电耦合材料组成；

对所述磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系，所述激发光使所述磁敏感单元中自旋系综在基态与激发态之间跃迁，所述操控场使所述磁敏感单元中自旋系综的两个能级间发生共振；

将所述预处理复合体系置于待测磁场中，保持所述操控场、所述激发光以及所述稳恒磁场不变，对所述磁电耦合材料施加调制场，在所述待测磁场作用下，所述磁敏感单元中自旋系综塞曼劈裂能级差产生周期变化，通过检测自旋系综产生特征信号周期振荡幅度的变化对所述待测磁场进行测量；

将所述预处理复合体系置于待测电场中，保持所述操控场、所述激发光以及所述稳恒磁场不变，在所述待测电场作用下，所述磁敏感单元中自旋系综塞曼劈裂能级差改变，通过检测自旋系综产生特征信号的变化对所述待测电场进行测量。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述磁敏感单元为基于固态自旋的磁敏感单元，所述基于固态自旋的磁敏感单元为包含NV色心系综的金刚石。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述磁电耦合材料的磁学性质可以被作用于其上的电场调控。

4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述对所述磁电耦合材料施加调制场包括：

将信号发生器连接于所述磁电耦合材料；

通过信号发生器对所述磁电耦合材料施加所述调制场，其中，所述调制场为交变电场。

5.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述对所述磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系包括：

对所述磁敏感单元施加预设波长和预设光强的激发光，以对所述磁敏感单元进行连续激发；

对所述磁敏感单元施加预设频率和预设磁场强度的操控场，得到预处理复合体系。

6.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述通过检测自旋系综产生特征信号周期振荡幅度的变化对所述待测磁场进行测量包括：

所述特征信号为磁敏感单元发出的荧光信号；

测得所述荧光信号强度的周期性变化幅度；

根据同频参考信号解调所述荧光强度周期性变化幅度，实现测量所述待测磁场。

7.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述通过检测自旋系综产生特征信号的变化对所述待测电场进行测量包括：

所述特征信号为磁敏感单元发出的荧光信号；

测得所述荧光信号的强度变化；

根据所述荧光强度与待测电场强度间线性关系，通过荧光强度变化反解，实现测量所述待测电场。

8.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述对所述磁敏感单元施加预设波长和预设光强的激发光包括：

光源发出预设波长和光强的激发光；

通过透镜对所述激发光进行准直和聚焦，以使所述激发光照射在所述磁敏感单元上。

9.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述对所述磁敏感单元施加预设频率和预设磁场强度的操控场包括：

将所述固态自旋复合体系设置于微带天线上；

通过连接于微带天线上的微波源使所述微带天线发射预设频率和预设磁场强度的操控场，所述操控场为均匀高频磁场。

10.一种采用权利要求1～9任意一项测量方法的基于固态自旋复合体系的电磁测量装置，其特征在于，包括：

稳恒磁场单元，用于对固态自旋复合体系施加稳恒磁场，其中，所述固态自旋复合体系由磁敏感单元与磁电耦合材料组成；

预处理单元，用于对所述磁敏感单元施加激发光和操控场，得到预处理复合体系；

磁场测量单元，用于将所述预处理复合体系置于待测磁场中，对所述磁电耦合材料施加调制场，以对所述待测磁场进行测量；

电场测量单元，用于将所述预处理复合体系置于待测电场中，以对所述待测电场进行测量。

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