CN114609114A - 激光功率稳定型金刚石nv色心荧光激发与检测系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统与方法，在金刚石NV色心的荧光激发与检测系统的主光束中分出一束光，使用声光调制器和比例‑积分‑微分控制器构成闭环反馈系统，实现激光器功率稳定。本系统由激光器、偏振分光棱镜、声光调制器、光电探测器、比例‑积分‑微分控制器、信号发生器和金刚石NV色心的荧光激发与检测系统组成，避免在金刚石NV色心的荧光激发与检测系统的主光路中引入复杂光路，设备原理简单，体积小，光路稳定性高，系统噪声低，受实验环境影响小，调节操作简单，大幅提升金刚石NV色心的激光激发与荧光检测系统的激光稳定性，进而提升NV色心系综传感测量装置的灵敏度，且有助于装置实现小型化。

Description

激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统与方法

技术领域

本发明涉及激光功率稳定技术领域，特别涉及激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统与方法。

背景技术

固体激光器是金刚石NV 色心系综传感测量研究装置中激光激发与荧光检测系统的关键器件。固体激光器功率的稳定性是固体激光器性能的重要指标。固体激光器中的工作物质即光学晶体在工作时容易产生热沉积从而引起自身温度变化，进而导致激光器输出激光的频率、功率产生漂移，严重影响激光器的功率的稳定性，目前科研用固体激光器的输出功率稳定性通常在 1%~5%/h左右，毫瓦级的激光功率波动不能满足金刚石NV 色心系综传感测量激光低噪声的需求；此外激光器工作时，由于温度及机械因素的影响，激光器输出光束的方向会产生一定程度漂移，从而影响荧光激发效率，所以提高固体激光器功率和指向的稳定性是亟待解决的一个问题，对于提高金刚石NV色心激光激发与荧光检测系统的性能和可靠性具有重要意义。

常用的固体激光器功率稳定技术主要分为被动式和主动式两种，被动式通过电流调整、腔内空气隔离、改变腔长和频率稳定等方法稳定激光器本身，可将激光器输出功率控制在1%附近，对功率稳定的精度难以满足科研需求，且操作复杂，成本高，难以用于成品激光器。主动式通过光反馈的方法直接对激光输出光束进行调制，以抵消激光束功率的无规律起伏，光的输出功率可控制在10-4量级，该方法通常通过外接调制器件实现闭环反馈，很难同时满足体积小、工作电压低、光束指向性好的条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统与方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统，包括激光器、激光功率稳定单元、脉冲调制单元和金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元；

所述金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元包括二向色镜、变焦物镜、金刚石样品、滤光片和第二光电探测器；

所述激光器产生的激光经激光功率稳定单元进行功率稳定后，再经脉冲调制单元实现激光的脉冲控制；经过功率稳定和脉冲控制的激光通过二向色镜反射至变焦物镜，经过变焦物镜聚焦至金刚石样品上，所述金刚石样品的NV色心电子自旋系综经过激光激发后发出荧光，所述荧光依次经过变焦物镜、二向色镜、滤光片至第二光电探测器。

作为优选，所述激光功率稳定单元包括光电隔离器、1/2波片、偏振分光棱镜、第一声光调制器、第一孔径光阑、1/4波片、第一平凸透镜、第一反射镜、第二孔径光阑、分束镜、第二平凸透镜、第一光电探测器、比例-积分-微分控制器、第一声光调制器驱动器和信号发生器；

所述激光器产生的激光进入激光功率稳定单元后，依次经过光电隔离器、1/2波片、偏振分光棱镜得到第一透射光和第一反射光，所述第一透射光经过第一声光调制器后发生衍射，得到0级和1级衍射光，所述0级衍射光被第一孔径光阑阻挡，所述1级衍射光经过第一孔径光阑、1/4波片、第一平凸透镜至第一反射镜后沿原路返回，依次经过第一平凸透镜、1/4波片、第一孔径光阑后回到第一声光调制器进行二次调制，二次调制后的激光经过经过偏振分光棱镜得到第二透射光和第二反射光，所述第二反射光经过分束镜分束后得到第三透射光和第三反射光，所述第三透射光经第二平凸透镜会聚到第一光电探测器；所述第三反射光离开激光功率稳定单元进入脉冲调制单元；

所述第一声光调制器驱动器与第一声光调制器之间电性连接，用于调控第一声光调制器；所述比例-积分-微分控制器分别与第一光电探测器、第一声光调制器驱动器相连接。

作为优选，所述脉冲调制单元包括第三平凸透镜、第二声光调制器、第四平凸透镜和第二声光调制器驱动器；

所述第三反射光离开激光功率稳定单元进入脉冲调制单元后，经过第三平凸透镜至第二声光调制器后发生衍射得到衍射光，所述衍射光经过第四平凸透镜后离开脉冲调制单元进入金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元；

所述第二声光调制器驱动器与第二声光调制器之间电性连接，用于调控第二声光调制器。

作为优选，还包括信号发生器，所述信号发生器分别与比例-积分-微分控制器、第二声光调制器驱动器之间电性连接，用于为比例-积分-微分控制器及脉冲调制提供波形。

作为优选，所述金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元内还包括第三孔径光阑，所述第三孔径光阑位于二向色镜之前，用于筛选经过第四平凸透镜的衍射光。

作为优选，所述金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元内还包括第二反射镜和第四孔径光阑，所述第二反射镜和第四孔径光阑位于二向色镜与滤光片之间，所述荧光经过二向色镜后，再依次经过第二反射镜、第四孔径光阑滤光片至第二光电探测器。

作为优选，所述激光功率稳定单元还包括光档，所述光档位于第一反射光的光路上。

本申请还公开了一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测方法，具体包括如下步骤：

S1、激光器产生的激光进入激光功率稳定单元进行功率稳定；

S2、经过功率稳定后的激光进入脉冲调制单元进行脉冲控制；

S3、经过脉冲控制后的激光通过二向色镜反射至变焦物镜，经过变焦物镜聚焦至金刚石样品上；

S4、金刚石样品的NV色心电子自旋系综经过激光激发后发出荧光，荧光依次经过变焦物镜、二向色镜、滤光片至第二光电探测器，在第二光电探测器上得到荧光检测电压信号，实现NV色心系综传感测量。

作为优选，所述步骤S1具体包括如下子步骤：

S11、激光器产生的激光经过光电隔离器后，通过1/2波片和偏振分光棱镜获得线偏振光；

S12、线偏振光通过偏振分光棱镜得到第一透射光和第一反射光；

S13、第一透射光通过处于工作状态的第一声光调制器后发生衍射，被分为0级和1级衍射光；

S14、1级衍射光通过1/4波片后经第一平凸透镜会聚，将激光会聚到第一反射镜上并沿原路返回到第一声光调制器进行二次声光调制；

S15、二次声光调制后的激光经过经过偏振分光棱镜得到第二透射光和第二反射光；

S16、第二反射光经过分束镜分束后得到第三透射光和第三反射光；

S17、所述第三透射光经第二平凸透镜会聚到第一光电探测器；将激光信号转化为电压信号并输入到比例-积分-微分控制器中，通过实时反馈控制第一声光调制器驱动器输出功率实现1级衍射光功率的实时精准调控，进而得到稳定功率的激光输出；

S18、第三反射光离开激光功率稳定单元进入脉冲调制单元。

作为优选，所述步骤S2具体包括如下子步骤：

S21、经过功率稳定后的激光进入脉冲调制单元后经过第三平凸透镜至第二声光调制器后发生衍射得到衍射光；

S22、通过调控信号发生器输出到第二声光调制器驱动器的方波调制频率以实现衍射光的脉冲调制；

S23、衍射光经过第四平凸透镜后离开脉冲调制单元进入金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元。

本发明的有益效果：

（1）本发明将激光器功率稳定与金刚石NV色心激光激发与荧光检测分模块实施，避免在金刚石NV 色心系综传感测量装置主体中加入复杂光路。

（2）本发明通过分束镜将激光从光路中分出小部分光作为光功率的反馈信号，对主光路中的激光没有影响，可使激光功率稳定的同时不会衰减。

（3）本发明采用二次经过声光调制器进行声光调制，保证了光束指向的稳定性。

（4）本发明使用声光调制器进行反馈调节，设备简单，无需复杂操作。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

附图说明

图1是本发明一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统的结构示意图；

其中：1-激光器、2-光电隔离器、3-1/2波片、4-偏振分光棱镜（PBS）、5-第一声光调制器、6-第一孔径光阑、7-1/4波片、8-第一平凸透镜、9-第一反射镜、10-第二孔径光阑、11-分束镜、12-第二平凸透镜、13-第一光电探测器、14-比例-积分-微分控制器、15-第一声光调制器驱动器、16-第三平凸透镜、17-第二声光调制器、18-第四平凸透镜、19-第三孔径光阑、20-二向色镜、21-变焦物镜、22-金刚石样品、23-第二反射镜、24-第四孔径光阑、25-滤光片、26-第二光电探测器、27-信号发生器、28-第二声光调制器驱动器、29-光挡。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。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。

参阅图1，一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统，包括激光器1，为金刚石NV色心激光激发与荧光检测系统提供单色激光；光电隔离器2，使激光单向通过不反射回激光器，保护激光器不受损害；1/2波片3、偏振分光棱镜（PBS）4，将激光转为功率可调节的线偏振光；第一声光调制器5，使激光发生布拉格衍射并调节+1级衍射光功率；第一孔径光阑6，遮挡0级衍射光，透过+1及衍射光；1/4波片7，使偏振分光棱镜4透射的光经过一次反射后被偏振分光棱镜4反射；第一平凸透镜8，将激光会聚到反射镜上，第一反射镜9，将+1级衍射光按原光路返回，进行二次声光调制，第二孔径光阑10，遮挡二次声光调制的0级衍射光，透过+1及衍射光；分束镜11，将偏振分光棱镜反射的光束分成两束，分别用作功率信号探测光源和后续工作光源；第二平凸透镜12，将用于功率信号探测的光束会聚到光电探测器上；第一光电探测器13，探测激光功率，将光功率信号转化为电信号；比例-积分-微分控制器14，比较激光功率与设定功率，并计算反馈电压；第一声光调制器驱动器15，根据比例-积分-微分控制器的计算，发出调制信号，调制+1级衍射光的功率以实现激光功率稳定；第三平凸透镜16，缩小照射到AOM 晶体上的光斑直径；第二声光调制器17，使激光发生布拉格衍射并进行脉冲调制；第四平凸透镜18，扩大从AOM 晶体出射的光斑直径；第三孔径光阑19，调节光束直径，隔绝杂散光；二向色镜20，反射激发光，透射荧光；变焦物镜21，聚焦激发光，收集荧光；金刚石样品22，发生荧光反应；第二反射镜23，反射荧光；第四孔径光阑24，对荧光进行选择；滤光片25，隔离激发光；第二光电探测器26，收集荧光检测电压信号；信号发生器27，为比例-积分-微分控制器及脉冲调制提供波形；第二声光调制器驱动器28，为脉冲调制提供电压；光挡29；其中粗实线是光路部分，虚线是电路部分。

实施例：

激光器1产生波长为532nm的单色光，经过光电隔离器2后，通过1/2波片3和偏振分光棱镜4获得声光调制器正常工作所需的线偏振光，可通过旋转1/2波片3的快轴方向调节系统所需功率，所述线偏振光通过安装好的处于工作状态的第一声光调制器5后发生衍射，被分为0级和1级衍射光，1级衍射光通过第一孔径光阑6、1/4波片7后经第一平凸透镜8会聚，将激光会聚到第一反射镜9上并沿入射光方向返回到第一声光调制器5进行二次声光调制，二次调制后的1级衍射光通过第二孔径光阑10并经过偏振分光棱镜4发生反射，反射光经分束镜11分为两束：其透射光经第二平凸透镜12会聚到达第一光电探测器13，将激光信号转化为电压信号并输入到比例-积分-微分控制器14中，通过实时反馈控制第一声光调制器驱动器15输出射功率实现1级衍射光功率的实时精准调控，进而得到稳定功率的激光输出；分束镜11的反射光经第三平凸透镜16会聚后射入第二声光调制器17，通过调控信号发生器27输出到第二声光调制器驱动器28的方波调制频率以实现激光的脉冲调制。经过脉冲调制的激光通过二向色镜20将532nm的激发激光反射到变焦物镜21并聚焦到金刚石样品22上，经过532 nm 激光激发后的NV色心电子自旋系综发出波长在600~800 nm范围内的荧光。所发出的荧光通过同变焦物镜21进行收集，经过二向色镜20后荧光和少部分激光继续通过第二反射镜23进行反射，通过第四孔径光阑24对聚焦平面内的荧光进行选择，最终经过650nm的长通滤光片将激光隔离，在第二光电探测器26上得到荧光检测电压信号。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统，其特征在于：包括激光器（1）、激光功率稳定单元、脉冲调制单元和金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元；

所述金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元包括二向色镜（20）、变焦物镜（21）、金刚石样品（22）、滤光片（25）和第二光电探测器（26）；

所述激光器产生的激光经激光功率稳定单元进行功率稳定后，再经脉冲调制单元实现激光的脉冲控制；经过功率稳定和脉冲控制的激光通过二向色镜（20）反射至变焦物镜（21），经过变焦物镜（21）聚焦至金刚石样品（22）上，所述金刚石样品（22）的NV色心电子自旋系综经过激光激发后发出荧光，所述荧光依次经过变焦物镜（21）、二向色镜（20）、滤光片（25）至第二光电探测器（26）。

2.如权利要求1所述的一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统，其特征在于：所述激光功率稳定单元包括光电隔离器（2）、1/2波片（3）、偏振分光棱镜（4）、第一声光调制器（5）、第一孔径光阑（6）、1/4波片（7）、第一平凸透镜（8）、第一反射镜（9）、第二孔径光阑（10）、分束镜（11）、第二平凸透镜（12）、第一光电探测器（13）、比例-积分-微分控制器（14）、第一声光调制器驱动器（15）和信号发生器（27）；

所述激光器产生的激光进入激光功率稳定单元后，依次经过光电隔离器（2）、1/2波片（3）、偏振分光棱镜（4）得到第一透射光和第一反射光，所述第一透射光经过第一声光调制器（5）后发生衍射，得到0级和1级衍射光，所述0级衍射光被第一孔径光阑（6）阻挡，所述1级衍射光经过第一孔径光阑（6）、1/4波片（7）、第一平凸透镜（8）至第一反射镜（9）后沿原路返回，依次经过第一平凸透镜（8）、1/4波片（7）、第一孔径光阑（6）后回到第一声光调制器（5）进行二次调制，二次调制后的激光经过经过偏振分光棱镜（4）得到第二透射光和第二反射光，所述第二反射光经过分束镜（11）分束后得到第三透射光和第三反射光，所述第三透射光经第二平凸透镜（12）会聚到第一光电探测器（13）；所述第三反射光离开激光功率稳定单元进入脉冲调制单元；

所述第一声光调制器驱动器（15）与第一声光调制器（5）之间电性连接，用于调控第一声光调制器（5）；所述比例-积分-微分控制器（14）分别与第一光电探测器（13）、第一声光调制器驱动器（15）相连接。

3.如权利要求2所述的一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统，其特征在于：所述脉冲调制单元包括第三平凸透镜（16）、第二声光调制器（17）、第四平凸透镜（18）和第二声光调制器驱动器（28）；

所述第三反射光离开激光功率稳定单元进入脉冲调制单元后，经过第三平凸透镜（16）至第二声光调制器（17）后发生衍射得到衍射光，所述衍射光经过第四平凸透镜（18）后离开脉冲调制单元进入金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元；

所述第二声光调制器驱动器（28）与第二声光调制器（17）之间电性连接，用于调控第二声光调制器（17）。

4.如权利要求3所述的一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统，其特征在于：还包括信号发生器（27），所述信号发生器（27）分别与比例-积分-微分控制器（14）、第二声光调制器驱动器（28）之间电性连接，用于为比例-积分-微分控制器及脉冲调制提供波形。

5.如权利要求3所述的一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统，其特征在于：所述金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元内还包括第三孔径光阑（19），所述第三孔径光阑（19）位于二向色镜（20）之前，用于筛选经过第四平凸透镜（18）的衍射光。

6.如权利要求1所述的一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统，其特征在于：所述金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元内还包括第二反射镜（23）和第四孔径光阑（24），所述第二反射镜（23）和第四孔径光阑（24）位于二向色镜（20）与滤光片（25）之间，所述荧光经过二向色镜（20）后，再依次经过第二反射镜（23）、第四孔径光阑（24）滤光片（25）至第二光电探测器（26）。

7.如权利要求2所述的一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统，其特征在于：所述激光功率稳定单元还包括光档（29），所述光档（29）位于第一反射光的光路上。

8.激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

S1、激光器（1）产生的激光进入激光功率稳定单元进行功率稳定；

S2、经过功率稳定后的激光进入脉冲调制单元进行脉冲控制；

S3、经过脉冲控制后的激光通过二向色镜（20）反射至变焦物镜（21），经过变焦物镜（21）聚焦至金刚石样品（22）上；

S4、金刚石样品（22）的NV色心电子自旋系综经过激光激发后发出荧光，荧光依次经过变焦物镜（21）、二向色镜（20）、滤光片（25）至第二光电探测器（26），在第二光电探测器（26）上得到荧光检测电压信号，实现NV色心系综传感测量。

9.如权利要求8所述的激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下子步骤：

S11、激光器（1）产生的激光经过光电隔离器（2）后，通过1/2波片（3）和偏振分光棱镜（4）获得线偏振光；

S12、线偏振光通过偏振分光棱镜（4）得到第一透射光和第一反射光；

S13、第一透射光通过处于工作状态的第一声光调制器（5）后发生衍射，被分为0级和1级衍射光；

S14、1级衍射光通过1/4波片（7）后经第一平凸透镜（8）会聚，将激光会聚到第一反射镜（9）上并沿原路返回到第一声光调制器（5）进行二次声光调制；

S15、二次声光调制后的激光经过经过偏振分光棱镜（4）得到第二透射光和第二反射光；

S16、第二反射光经过分束镜（11）分束后得到第三透射光和第三反射光；

S17、所述第三透射光经第二平凸透镜（12）会聚到第一光电探测器（13）；将激光信号转化为电压信号并输入到比例-积分-微分控制器（14）中，通过实时反馈控制第一声光调制器驱动器（15）输出功率实现1级衍射光功率的实时精准调控，进而得到稳定功率的激光输出；

S18、第三反射光离开激光功率稳定单元进入脉冲调制单元。

10.如权利要求8所述的激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括如下子步骤：

S21、经过功率稳定后的激光进入脉冲调制单元后经过第三平凸透镜（16）至第二声光调制器（17）后发生衍射得到衍射光；

S22、通过调控信号发生器（27）输出到第二声光调制器驱动器（28）的方波调制频率以实现衍射光的脉冲调制；

S23、衍射光经过第四平凸透镜（18）后离开脉冲调制单元进入金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元。

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