CN114839170A - 一种金刚石nv色心的定点加工与检测系统及其加工和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统及其加工和检测方法，属于激光微纳加工技术领域，该系统包括位置控制与光学检测平台、计算机控制模块及时序可控微波产生模块；本发明将NV色心加工与检测系统相结合，复用了部分硬件设备，减少了系统体积，通过时序可控微波产生模块实现高效、高精度的检测金刚石NV色心位置精度、产率以及在金刚石内部的晶向取向。本发明提出的检测方法，有效解决荧光扫描方向与加工方向存在夹角的问题，实现实际加工坐标与经校正的理想加工坐标偏差快速计算分析。本发明提出的金刚石NV色心检测方法，有效解决荧光扫描方向与加工方向存在夹角的问题，实现实际加工坐标与经校正的理想加工坐标偏差快速计算分析。

Description

一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统及其加工和检测 方法

技术领域

本发明属于激光微纳加工技术领域，具体涉及一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统及其加工和检测方法。

背景技术

金刚石NV色心作为金刚石内部晶体缺陷，具备室温下物理性质稳定、发光稳定、电子自旋易操控的特性成为了量子光源的优质选择。由于NV色心独特的电子能级结构使得NV色心具备对外部磁场、电场、温度、应力等物理量进行精密传感检测的能力，在检测精度和抗干扰能力上表现出众。

目前制备金刚石NV色心一般采用如下方案：化学气相沉积法和离子束/电子束注入法。化学气相沉积法需要在真空、高温和微波环境下通入甲烷，环境和制备工艺复杂，无法定点定量制备NV色心。离子束/电子束注入法需要高能离子束/电子束注入，难以控制注入量制备单个NV色心，NV色心产生深度呈高斯分布。

目前检测金刚石NV色心需要荧光共聚焦扫描显微技术、光子时间符合技术和光探测磁共振技术，检测金刚石NV色心设备相互独立，难以统一协调控制，难以高效、高精度的检测和评估制备的NV色心位置精度、产率以及在金刚石内部的晶向取向。同时，更是缺乏一种系统能够将加工和检测设备集成，建立一种高效的金刚石NV色心定点加工与检测方法，严重的限制了金刚石NV色心阵列在量子光源、精密微纳传感器等领域的推广和应用。

发明内容

针对现有系统和技术的不足，本发明提供一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统及其加工和检测方法，主要解决目前缺乏将金刚石NV色心加工和检测设备集成，建立高效的金刚石NV色心定点加工和检测方法。由于本发明使用飞秒激光直写方式定点制备金刚石NV色心，极大的提升金刚石NV色心定点加工精度的同时实现了目标加工位置单NV色心的制备；

本发明将NV色心加工与检测系统相结合，复用了部分硬件设备，减少了系统体积，通过时序可控微波产生模块实现高效、高精度的检测金刚石NV色心位置精度、产率以及在金刚石内部的晶向取向。本发明提出的金刚石NV色心检测方法，能够有效解决荧光扫描方向与加工方向存在夹角的问题，实现实际加工坐标与经校正的理想加工坐标偏差快速计算分析。

第一方面，本发明提供了一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统，包括位置控制与光学检测平台1、计算机控制模块2及时序可控微波产生模块3；

所述位置控制与光学检测平台1由安装于大理石基光学平台上的激光加工与荧光激发光路4、组合式三轴位移台5及荧光共聚焦光路6组成；

所述激光加工与荧光激发光路4，包括激光器10、反射镜11、二向色镜12、反射镜13和显微物镜14；所述激光器10发射的激发激光或加工激光依次经由反射镜11、二向色镜12及反射镜13垂直入射到显微物镜14，所述显微物镜14与金刚石样品7保持垂直；

所述组合式三轴位移台5，用于放置并移动金刚石样品7及显微物镜14；

所述荧光共聚焦光路6，包括凸透镜15、检测针孔16、凸透镜17、滤光片18及光纤耦合器19；激发激光经显微物镜14聚焦在金刚石NV色心时，金刚石NV色心吸收激发光子，同时辐射荧光光子；激发的荧光经显微物镜14收集后，再次经反射镜13反射后透过二向色镜12，经凸透镜15聚焦后穿过检测针孔16，经凸透镜17聚焦后由光纤耦合器19收集荧光，通过光纤传输至时序可控微波产生模块3；所述滤光片18用于滤除激发激光和非收集波段光子的作用，提高信噪比；

所述时序可控微波产生模块3包括时间相关单光子计数器31、时序逻辑控制器32、高速微波开关33、微波信号发生器34、微波放大器35、微波环形器36及铜导线天线37；微波信号发生器34产生的低功率微波信号，在高速微波开关33的开关控制下进入微波放大器35放大，放大后的微波信号进入微波环形器36的1号端口，并从微波环形器36的2号端口输出至铜导线天线37；部分从铜导线天线37反射的微波信号从微波环形器36的2号端口进入，并从微波环形器36的3号端口输出，由负载电阻吸收；

所述计算机控制模块2，用于控制组合式三轴位移台5和微波信号发生器34，并采集和显示CCD摄像头43的图像、时间相关单光子计数器31和时序逻辑控制器32的数据。

进一步地，所述时序可控微波产生模块3还包括光纤分束器41及单光子探测器42，光纤分束器41用于接收由光纤耦合器19收集的荧光光子，并以50:50随机分配给两路单光子探测器42并产生电脉冲信号；所述时序逻辑控制器32用于计数单光子探测器42产生的电脉冲信号；所述时间相关单光子计数器31用于对两路单光子探测器42产生的电脉冲信号进行符合计数测量。

进一步地，所述激光加工与荧光激发光路4及荧光共聚焦光路6均采用准直光阑44作为光路准直器件，检测加工激光、激发激光和荧光的自由空间路径。

进一步地，所述微波环形器36的3端口接有负载电阻，用于吸收天线反射信号，避免损坏微波放大器；

进一步地，所述时序可控微波产生模块3还包括微波隔离器38及电压驻波比检测器39，所述微波隔离器38位于微波放大器35与微波环形器36之间，用于进一步隔离微波环形器36的端口反射信号，保护微波放大器35；所述电压驻波比检测器39接入微波环形器36和负载电阻之间，用于检测天线反射能量大小，辅助判别天线阻抗失配状态，必要时切断微波放大器35的电源以保护微波放大器35。

进一步地，所述组合式三轴位移台5由三轴压电式精密位移台51、单轴压电式精密位移台52、倾角调整架53、X-Y轴二维步进电机位移台54及单轴一维步进电机位移台55组成；三轴压电式精密位移台51固定在X-Y轴二维步进电机位移台54上，单轴压电式精密位移台52固定在单轴一维步进电机位移台55上；所述三轴压电式精密位移台51用于固定并调整金刚石样品7的位置；所述单轴压电式精密位移台52用于固定并调整显微物镜14的位置；所述倾角调整架53用于调整金刚石样品7在加工和检测范围内与显微物镜保持垂直；所述X-Y轴二维步进电机位移台54用于大范围移动金刚石样品7加工和检测位置；所述单轴一维步进电机位移台55用于大范围移动显微物镜14，便于更换显微物镜和粗调聚焦深度。

进一步地，所述铜导线天线37通过天线支架40固定在三轴压电式精密位移台51上，用于向金刚石样品7施加微波磁场的同时在通过组合式三轴位移台5移动金刚石样品7过程中不会与金刚石样品7产生相对位置移动。

第二方面，本发明还提供了一种金刚石NV色心的定点加工方法，包括如下步骤：将金刚石样品固定在倾角调整架上，将显微物镜降至工作高度，调节倾角调整架使金刚石样品表面与显微物镜在加工区域内保持垂直；随后，使用预先设定的加工参数，由LabVIEW软件通过控制组合式三轴位移台，采用逐点方法在设定加工位置进行飞秒激光直写加工。

进一步地，飞秒激光的重复频率为10KHz-100KHz，脉冲宽度为120fs-280fs；采用的物镜为50-100倍镜头，数值孔径为0.8-1.25；激光加工的单脉冲能量15-100nJ；加工位置点间距可设置为200-20000nm。

第三方面，本发明还提供了一种金刚石NV色心的定点检测方法，包括如下步骤：

步骤一：金刚石NV色心的荧光检测；

首先，将退火后的金刚石样品固定在倾角调整架上，将显微物镜降至工作高度，调节倾角调整架使金刚石样品表面与物镜在加工区域内保持垂直；随后，使用激发激光通过物镜聚焦在加工区域，使用预先设定的荧光扫描参数，由LabVIEW软件通过控制组合式三轴位移台，采用逐点、逐层扫描的方法激发样品，并读取时间相关单光子计数器的计数值绘制荧光扫描图像；最后，定位每个荧光发光中心并记录坐标，分析坐标误差，调节激发光偏振角度，记录时间相关单光子计数器显示每秒计数值最高时的激发光偏振角度，使用时间相关单光子计数器测量光子时间关系分布曲线，曲线归一化后计算得到g⁽²⁾(0)值，所述g⁽²⁾(0)值代表光子的反聚束效应，根据g⁽²⁾(0)值小于0.5判定该荧光发光中心为单NV色心；

步骤二：金刚石NV色心的光探测磁共振检测；

首先，在外加静磁场下，由LabVIEW软件将光探测磁共振检测参数写入时序逻辑控制器；其次，由时序逻辑控制器控制激发激光和高速微波开关，并分别计数信号光时间和参考光时间内单光子探测器发出的电脉冲信号，按写入参数重复该时序操作；改变微波信号频率后重复上述步骤；最后，使用参考光时间内的脉冲计数将信号光计数归一化后绘制归一化数值与微波频率关系曲线—光探测磁共振曲线，并结合曲线峰值差值和激发光偏振角度判定NV色心在金刚石内部取向。

进一步地，步骤一中的NV色心荧光发光中心坐标误差分析，即加工NV色心实际坐标与设定坐标存在的偏差，包括X、Y和Z轴三个方向的偏差，通过以下公式获得：

其中n为位置参量的个数，X₁···X_n代表X轴向实际测量的位置坐标，X₀₁···X_0n代表X轴向设定的加工坐标，两者差值为偏差量ΔX，Y轴同理，设定加工深度始终为Z₀；

由于样品扫描移动方向与样品加工设定坐标方向间存在一个夹角，使得NV色心荧光发光中心坐标与设定坐标无法直接计算偏差，因此定义同一加工点阵中处于同一加工直线上的两个发光中心分别为坐标原点和参考点，其中坐标原点用(X₀，Y₀)表示，两点与X轴构成的夹角

其中，ΔX、ΔY为两个发光中心的坐标差值；

扫描阵列坐标经θ角旋转校正后，处于同一直线上间隔相同的加工点理想坐标为X_0i＝X₀+cosθ·ΔX_i,Y_0i＝Y₀+sinθ·ΔY_i,Z_0i＝Z₀，与扫描获得的NV色心荧光发光中心坐标差值即为实际误差。

进一步地，步骤二中由时序逻辑控制器控制时序操作与脉冲计数需重复10⁵～10⁶次；微波信号频率在0.05MHz至1MHz范围内步进，并以2.87GHz为中心，步进点数为50-1000点；NV色心在金刚石内部晶向取向判定在于通过最大激发NV色心时，激发激光线偏振角度相差50°，以此将NV色心4种不同晶向取向区分为“平面内”、“平面外”两类取向；通过外加两组不同大小和方向的静磁场下，测得的光探测磁共振曲线峰值差与外加静磁场在NV色心轴向方向分量成正比，结合金刚石晶体切割平面和偏振取向可以具体判定金刚石NV色心的内部晶向取向。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明提出的金刚石NV色心定点加工与检测系统及其加工与检测方法可有效的在金刚石近表面制备单NV色心阵列，与传统CVD制备法或离子束注入法等方法相比，单NV产率高，不会产生NV色心系综，可通过参数设定在大范围内定点制备NV色心，位置偏差小，大大提升了制备成功率，让制备和检测金刚石NV色心阵列并应用为量子光源或精密微纳传感器成为可能；

(2)本发明将NV色心加工与检测系统相结合，复用了部分硬件设备，减少了系统体积，通过时序可控微波产生模块实现高效、高精度的检测金刚石NV色心位置精度、产率以及在金刚石内部的晶向取向；

(3)本发明提出的金刚石NV色心检测方法，能够有效解决荧光扫描方向与加工方向存在夹角的问题，实现实际加工坐标与经校正的理想加工坐标偏差快速计算分析。

附图说明

图1为本发明的一种金刚石NV色心定点加工与检测系统示意图；

图2为本发明的一种金刚石NV色心的定点检测方法流程图；

图3为本发明的位置控制与光学检测平台的结构示意图；

图4为本发明的组合式三轴位移台的结构示意图；

图5为本发明的时序可控微波产生模块内部构成示意图；

图6为本发明的NV色心荧光发光中心坐标误差分析示意图；

图7的(a)为本发明的一种金刚石NV色心定点加工方法制备的NV色心阵列荧光扫描图像；(b)为本发明的一种金刚石NV色心定点加工方法制备的NV色心阵列中心坐标误差分析结果；(c)为本发明依据激发激光偏振角度判定NV色心取向分类的方法；(d)为本发明的一种金刚石NV色心定点加工方法制备的典型NV色心g⁽²⁾曲线；

图8的(a)为本发明的一种金刚石NV色心定点检测方法测量的典型光探测磁共振曲线；(b)为本发明的一种金刚石NV色心定点加工方法制备的NV色心阵列晶向取向分析结果。

图中：

位置控制与光学检测平台1、计算机控制模块2、时序可控微波产生模块3、激光加工与荧光激发光路4、组合式三轴位移台5、荧光共聚焦光路6；

激光器10、反射镜11、二向色镜12、反射镜13、显微物镜14、凸透镜15、检测针孔16、凸透镜17、滤光片18、光纤耦合器19；

时间相关单光子计数器31、时序逻辑控制器32、高速微波开关33、微波信号发生器34、微波放大器35、微波环形器36、铜导线天线37、微波隔离器38、电压驻波比检测器39；

天线支架40、光纤分束器41、单光子探测器42、CCD摄像头43、准直光阑44；

三轴压电式精密位移台51、单轴压电式精密位移台52、倾角调整架53、X-Y轴二维步进电机位移台54、单轴一维步进电机位移台55。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的底部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

实施例1

参见图1、图3、图4说明本实施例。本实施例提供了一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统，包括位置控制与光学检测平台1、计算机控制模块2及时序可控微波产生模块3；

所述位置控制与光学检测平台1由安装于大理石基光学平台上的激光加工与荧光激发光路4、组合式三轴位移台5及荧光共聚焦光路6组成；

所述激光加工与荧光激发光路4，包括激光器10、反射镜11、二向色镜12、反射镜13和显微物镜14；所述激光器10发射的激发激光或加工激光依次经由反射镜11、二向色镜12及反射镜13垂直入射到显微物镜14，所述显微物镜14与金刚石样品7保持垂直；金刚石样品7经倾角调整架53调整后在加工和探测范围内始终与显微物镜14保持垂直。调整组合式三轴位移台5使激光聚焦在工作位置和深度；在计算机控制模块2的控制下，加工激光器在加工点施加高能激光束，制备空位团。

在示例性实施例1中，激光器可以使用Light Conversion公司的CARBIDE飞秒激光器，激光器中心波长1030nm，脉宽范围290fs-20ps，最高重复频率1MHz。金刚石样品7采用元素六公司使用CVD生长法制备的金刚石体材料，氮掺杂浓度小于5ppb，材料尺寸为2.0*2.0*0.5mm，切割金刚石的平面是(110)平面。设定激光器重频60KHz，激光器出光功率1.19mW，激光器输出经倍频后转为515nm波长，经放大倍数100倍、数值孔径为1.25的油镜显微物镜14聚焦后在金刚石样品7的近表面10μm深度加工产生空位团，移动三轴压电式精密位移台51后以5μm间隔在金刚石近表面加工5*5点阵。所述位置控制与光学检测平台采用CCD摄像头43作为观察器件，用于加工和检测前观察金刚石样品7所处位置及聚焦激光光斑；

在示例性实施例1中，所述激光加工与荧光激发光路4及荧光共聚焦光路6均采用准直光阑44作为光路准直器件，检测加工激光、激发激光和荧光的自由空间路径。为了便于在CCD摄像头下观察金刚石样品和激光光斑，在显微物镜14和二向色镜12间使用反射镜13。二向色镜能够透射以637nm光子为主的荧光光子，反射515nm加工激光和532nm激发激光。由于激发的荧光光子较弱，荧光光子在透过二向色镜后直接进入荧光共聚焦光路6，因此在二向色镜前使用反射镜11调整激发激光和加工激光光路走向。

所述组合式三轴位移台5，用于放置并移动金刚石样品7及显微物镜14；

所述荧光共聚焦光路6，包括凸透镜15、检测针孔16、凸透镜17、滤光片18及光纤耦合器19；激发激光经显微物镜14聚焦在金刚石NV色心时，金刚石NV色心吸收激发光子，同时辐射荧光光子；激发的荧光经显微物镜14收集后，再次经反射镜13反射后透过二向色镜12，经凸透镜15聚焦后穿过检测针孔16，经凸透镜17聚焦后由光纤耦合器19收集荧光，通过光纤传输至时序可控微波产生模块3；所述滤光片18用于滤除激发激光和非收集波段光子的作用，提高信噪比；

所述时序可控微波产生模块3包括时间相关单光子计数器31、时序逻辑控制器32、高速微波开关33、微波信号发生器34、微波放大器35、微波环形器36及铜导线天线37；微波信号发生器34产生的低功率微波信号，在高速微波开关33的开关控制下进入微波放大器35放大，放大后的微波信号进入微波环形器36的1号端口，并从微波环形器36的2号端口输出至铜导线天线37；部分从铜导线天线37反射的微波信号从微波环形器36的2号端口进入，并从微波环形器36的3号端口输出，由负载电阻吸收；

计算机控制模块2控制微波信号发生器34在设定微波频率范围内扫频，时序逻辑控制器32用于控制高速微波开关33将调制后的微波信号发送至微波放大器35，所述微波放大器35将微波信号放大后经微波环形器36发送至铜导线天线37，从而产生操控金刚石NV色心电子自旋所需的微波磁场；

所述计算机控制模块2，用于控制组合式三轴位移台5和微波信号发生器34，并采集和显示CCD摄像头43的图像、时间相关单光子计数器31和时序逻辑控制器32的数据。

所述时序可控微波产生模块3还包括光纤分束器41及单光子探测器42，光纤分束器41用于接收由光纤耦合器19收集的荧光光子，并以50:50随机分配给两路单光子探测器42并产生电脉冲信号；所述时序逻辑控制器32用于计数单光子探测器42产生的电脉冲信号；所述时间相关单光子计数器31用于对两路单光子探测器42产生的电脉冲信号进行符合计数测量。

所述激光加工与荧光激发光路4及荧光共聚焦光路6均采用准直光阑44作为光路准直器件，检测加工激光、激发激光和荧光的自由空间路径。

所述微波环形器36的3端口接有负载电阻，用于吸收天线反射信号，避免损坏微波放大器；

所述时序可控微波产生模块3还包括微波隔离器38及电压驻波比检测器39，所述微波隔离器38位于微波放大器35与微波环形器36之间，用于进一步隔离微波环形器36的端口反射信号，保护微波放大器35；所述电压驻波比检测器39接入微波环形器36和负载电阻之间，用于检测天线反射能量大小，辅助判别天线阻抗失配状态，必要时切断微波放大器35的电源以保护微波放大器35。

如图4所示，详细介绍组合式三轴位移台5的结构，所述组合式三轴位移台5由三轴压电式精密位移台51、单轴压电式精密位移台52、倾角调整架53、X-Y轴二维步进电机位移台54及单轴一维步进电机位移台55组成；所述三轴压电式精密位移台51用于固定并调整金刚石样品7的位置；所述单轴压电式精密位移台52用于固定并调整显微物镜14的位置；所述倾角调整架53用于调整金刚石样品7在加工和检测范围内与显微物镜保持垂直；所述X-Y轴二维步进电机位移台54用于大范围移动金刚石样品7加工和检测位置；所述单轴一维步进电机位移台55用于大范围移动显微物镜14，便于更换显微物镜和粗调聚焦深度。三轴压电式精密位移台51固定在X-Y轴二维步进电机位移台54上，单轴压电式精密位移台52固定在单轴一维步进电机位移台55上。

所述铜导线天线37通过天线支架40固定在三轴压电式精密位移台51上，用于向金刚石样品7施加微波磁场的同时在通过组合式三轴位移台5移动金刚石样品7过程中不会与金刚石样品7产生相对位置移动。

实施例2

本实施例提供了一种金刚石NV色心的定点加工方法，激发激光经与实施例1中相同的光路在显微物镜14的聚焦下激发聚焦点处的NV色心，包括如下步骤：将金刚石样品固定在倾角调整架上，将显微物镜降至工作高度，调节倾角调整架使金刚石样品表面与显微物镜在加工区域内保持垂直；随后，使用预先设定的加工参数，由LabVIEW软件通过控制组合式三轴位移台，采用逐点方法在设定加工位置进行飞秒激光直写加工。

所示飞秒激光的重复频率为10KHz-100KHz，脉冲宽度为120fs-280fs；采用的物镜为50-100倍镜头，数值孔径为0.8-1.25；激光加工的单脉冲能量15-100nJ；加工位置点间距可设置为200-20000nm。

由图7的(a)可知，使用金刚石NV色心定点加工与检测系统制备的NV色心阵列规则，荧光共聚焦扫描显微图像成像清晰，信噪比高。

实施例3

参见图2至图7说明本实施例。本实施例提供了一种金刚石NV色心的荧光检测方法。激发激光经与实施例1中相同的光路在显微物镜14的聚焦下激发聚焦点处的NV色心。激发的荧光经显微物镜14收集由原路经反射镜13反射后透过二向色镜12，进入荧光共聚焦光路6。由凸透镜15、凸透镜17和检测针孔16组成的共聚焦光路能够阻挡非焦平面光，通过凸透镜17的荧光经滤光片后由光纤耦合器19收集。荧光光子经光纤传输到时序可控微波产生模块，经光纤分束器41分束后进入两路单光子探测器42。根据时间相关单光子计数器31计数率大小，可以与组合式三轴位移台5运动控制结合，绘制荧光共聚焦扫描显微图像；根据荧光共聚焦扫描显微图像，可以定位发光中心坐标，并依据NV色心荧光发光中心坐标误差分析方法计算加工点坐标误差；逐一定位发光中心并调节激发激光器线偏振角度，记录时间相关单光子计数器31计数率为最大时激光器线偏振角度；使用时间相关单光子计数器31符合计数功能测量发光中心g⁽²⁾(0)值，判断该发光中心是否为单NV色心。

g⁽²⁾(0)值代表光子的反聚束效应，即代表NV色心在激发光的激发下，在同一时间内只能吸收一个激发光子并释放一个荧光光子。由于这一吸收和释放过程需要一定周期，因此当单NV色心连续激发时，产生的荧光光子也是逐一释放，不存在同时释放两个光子。因此从光子时间关系分布曲线上看，在“0”时刻同时探测到两个光子的概率g⁽²⁾(0)小于0.5，即则认为此发光点为单光子源，如果同一位置上存在两个及以上NV色心，就有概率两个NV色心同时释放荧光光子，g⁽²⁾(0)值则必然大于0.5。

在示例性实施例3中，使用实施例1中加工的金刚石样品7并经800℃退火12小时后对产生的NV色心阵列进行荧光共聚焦扫描显微图像检测。金刚石样品7经倾角调整架53调整后在加工和探测范围内始终与显微物镜14保持垂直。调整组合式三轴位移台5使532nm激发激光聚焦在工作位置和深度。检测针孔16放置在凸透镜15和凸透镜17焦点位置，25μm直径的检测针孔可以保证在637nm波长荧光下尽可能小的限制荧光收集范围，同时保证足够的荧光强度。使用计算机控制模块2控制组合式三轴位移台5以“Z”字型移动，并同时读取时间相关单光子计数器31计数率，绘制点间隔为0.25μm、101*101像素的荧光共聚焦扫描显微图像。

在示例性实施例3中，对NV色心阵列进行荧光发光中心坐标误差计算。荧光扫描显微图像逐一定位发光中心并依据荧光计数率最高记录每个发光中心坐标。取图7(a)中3号发光中为坐标原点，用(X₀，Y₀)表示，4号发光中心为参考点，两点与X轴构成的夹角

其中ΔX、ΔY为两个发光中心的坐标差值。由于荧光共聚焦扫描方向与加工时移动方向存在一个夹角，如图6所示，将所有发光中心组成的阵列旋转θ角，可计算得出理想加工点坐标为X_0i＝X₀+cosθ·ΔX_i，Y_0i＝Y₀+sinθ·ΔY_i，Z_0i＝Z₀，与设计加工点坐标差值即为实际误差：

由图的7(b)可知，金刚石样品中产生的8个NV色心(排除石墨化点发光中心)与设计点加工坐标差值在XYZ轴向分布极小，其中XY平面误差不超出±0.2μm，Z平面因荧光共聚焦检测精度和加工激光在金刚石内的聚焦光斑拉长导致误差偏大，不超出±0.3μm。由于空位在热退火过程中的自由扩散效应和荧光共聚焦显微镜的光学分辨率上限，本系统加工和检测的NV色心加工坐标偏差接近理论上限。

在示例性实施例3中，荧光扫描显微图像逐一定位发光中心并依据调节激发激光器输出线偏振态角度得到荧光计数率最大值，记录此时每个发光中心偏振响应。除1-8号NV色心外，其余发光中心在调节偏振态时无明显荧光计数率变化。1-8号色心分别在偏振态角度为40°和90°(即相差50°)时达到荧光计数率最大，激发激光功率约为0.7mW时荧光计数率约为50000Counts/s。最大计数率在90°偏振的NV色心在偏振角度为40°激发时，荧光计数率下降到约为30000Counts/s，下降约40％。根据NV色心对于激发激光线偏振角度不同，将NV色心在金刚石内部的晶向取向分为“平面内”和“平面外”两类，如图7的(c)。

在示例性实施例3中，荧光扫描显微图像逐一定位发光中心并在200秒内统计时间相关单光子计数器31获得的两路光子计数时间分布。图7的(d)为可以代表一路电脉冲信号经同轴电缆延迟后获得的单NV色心典型g⁽²⁾曲线。曲线经归一化后，最小g⁽²⁾(0)值小于0.5即可判定该发光中心为单NV色心。对于实施例1中加工的NV色心阵列，8个NV色心均为单NV色心，无色心系综产生，单NV色心产率达32％。

实施例4

参见图7、图8说明本实施例。本实施例提供了一种金刚石NV色心的光探测磁共振检测方法；所述时序可控微波产生模块3能够在计算机控制模块2的设置下控制微波信号发生器34在设定微波频率范围内扫频；所述高速微波开关33能够在时序逻辑控制器32的控制下将开关调制后的微波信号发送至微波放大器35；所述微波放大器35将微波信号放大后经微波环形器36发送至铜导线天线37，产生操控金刚石NV色心电子自旋所需的微波磁场；所述微波环形器36的3端口接有负载电阻，能够吸收天线反射信号，避免损坏微波放大器35；在时序逻辑控制器32的控制下，532nm激发激光对NV色心电子自旋态进行初始化和读出；同时依据微波磁场垂直于NV色心轴向分量大小施加一定时间微波磁场；在读取时间内，使用时序逻辑控制器32分别读出信号光时间内和参考光时间内的光子计数，绘制光探测磁共振曲线；结合不同外加静磁场方向下的光探测磁共振曲线峰值差值和NV色心激发光偏振特性，得出每个NV色心在晶体内部的实际晶向取向。

在示例性实施例4中，使用计算机控制模块2设定微波信号发生器在2830MHz至2910MHz频率范围内扫频，经放大后的微波信号功率约为30dBm。将铜导线天线37放置在待检测金刚石NV色心约100μm附近，由计算机控制模块2将时序参数写入时序逻辑控制器32并启动序列。时序逻辑控制器采用FPGA编程实现，最小脉冲宽度和调节精度为5ns。20μm直径铜导线天线长度约为60mm，在2.87GHz频率下电压驻波比约为1.3。部分无法辐射的能量通过微波环形器36的3端口输出到电压驻波比检测器39，当天线断裂或严重失配使得电压驻波比检测器39的输出电压达到2000mV时，立即切断微波放大器35电源。

在示例性实施例4中，时序逻辑控制器32控制激光器产生宽度3μs的激光读出和初始化光脉冲，等待0.5μs后施加70ns放大后的微波信号，并在下一序列中分别统计读出周期和初始化光脉冲数量。由于单周期采集到的光脉冲数量平均仅为0.06个，因此将上述时序序列重复20万次，得到总的读出周期和初始化光脉冲数量。步进微波信号源频率0.4MHz，并重复上述过程。以初始化周期光脉冲数为基础，归一化读出周期光脉冲数，得到频率相关的光探测磁共振曲线，典型曲线图如图8的(a)所示。

在示例性实施例4中，分别使用铷磁铁对每个NV色心施加方向互为垂直的外加静磁场，并分别测量其光探测磁共振曲线。根据光探测磁共振曲线峰值频率差值与施加在NV色心轴向静磁场分量大小成正比，可以得知当光探测磁共振曲线峰值频率差值最大时，外加静磁场方向与NV轴向相同；当光探测磁共振曲线仅存在单个峰值时，外加静磁场方向垂直与NV轴。因此，结合金刚石切割方向、每个NV色心最大激发偏振角度和不同外加静磁下两组光探测磁共振曲线峰值特性，可以判定该单NV色心在金刚石内部的晶向取向。如图8的(b)所示，实施例1中8个单NV色心不同存在3种不同晶向取向，分别对应图7的(c)中NV轴向1-3。可以看出，本检测方法能够实现对金刚石NV色心内部晶向取向的判定分析，对于金刚石NV色心阵列应用于精密微纳传感领域具有重要意义。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统，其特征在于，包括位置控制与光学检测平台(1)、计算机控制模块(2)及时序可控微波产生模块(3)；

所述位置控制与光学检测平台(1)由安装于大理石基光学平台上的激光加工与荧光激发光路(4)、组合式三轴位移台(5)及荧光共聚焦光路(6)组成；

所述激光加工与荧光激发光路(4)，包括激光器(10)、反射镜(11)、二向色镜(12)、反射镜(13)和显微物镜(14)；所述激光器(10)发射的激发激光或加工激光依次经由反射镜(11)、二向色镜(12)及反射镜(13)垂直入射到显微物镜(14)，所述显微物镜(14)与金刚石样品(7)保持垂直；

所述组合式三轴位移台(5)，用于放置并移动金刚石样品(7)及显微物镜(14)；

所述荧光共聚焦光路(6)，包括凸透镜(15)、检测针孔(16)、凸透镜(17)、滤光片(18)及光纤耦合器(19)；激发激光经显微物镜(14)聚焦在金刚石NV色心时，金刚石NV色心吸收激发光子，同时辐射荧光光子；激发的荧光经显微物镜(14)收集后，再次经反射镜(13)反射后透过二向色镜(12)，经凸透镜(15)聚焦后穿过检测针孔(16)，经凸透镜(17)聚焦后由光纤耦合器(19)收集荧光，通过光纤传输至时序可控微波产生模块(3)；所述滤光片(18)用于滤除激发激光和非收集波段光子的作用，提高信噪比；

所述时序可控微波产生模块(3)包括时间相关单光子计数器(31)、时序逻辑控制器(32)、高速微波开关(33)、微波信号发生器(34)、微波放大器(35)、微波环形器(36)及铜导线天线(37)；微波信号发生器(34)产生的低功率微波信号，在高速微波开关(33)的开关控制下进入微波放大器(35)放大，放大后的微波信号进入微波环形器(36)的(1)号端口，并从微波环形器(36)的(2)号端口输出至铜导线天线(37)；部分从铜导线天线(37)反射的微波信号从微波环形器(36)的(2)号端口进入，并从微波环形器(36)的(3)号端口输出，由负载电阻吸收；

所述计算机控制模块(2)，用于控制组合式三轴位移台(5)和微波信号发生器(34)，并采集和显示CCD摄像头(43)的图像、时间相关单光子计数器(31)和时序逻辑控制器(32)的数据。

2.如权利要求1所述的一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统，其特征在于，所述时序可控微波产生模块(3)还包括光纤分束器(41)及单光子探测器(42)，光纤分束器(41)用于接收由光纤耦合器(19)收集的荧光光子，并以(50):(50)随机分配给两路单光子探测器(42)并产生电脉冲信号；所述时序逻辑控制器(32)用于计数单光子探测器(42)产生的电脉冲信号；所述时间相关单光子计数器(31)用于对两路单光子探测器(42)产生的电脉冲信号进行符合计数测量。

3.如权利要求1所述的一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统，其特征在于，所述激光加工与荧光激发光路(4)及荧光共聚焦光路(6)均采用准直光阑(44)作为光路准直器件，检测加工激光、激发激光和荧光的自由空间路径；

所述微波环形器(36)的(3)端口接有负载电阻，用于吸收天线反射信号，避免损坏微波放大器。

4.如权利要求1所述的一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统，其特征在于，所述时序可控微波产生模块(3)还包括微波隔离器(38)及电压驻波比检测器(39)，所述微波隔离器(38)位于微波放大器(35)与微波环形器(36)之间，用于进一步隔离微波环形器(36)的端口反射信号，保护微波放大器(35)；所述电压驻波比检测器(39)接入微波环形器(36)和负载电阻之间，用于检测天线反射能量大小，辅助判别天线阻抗失配状态，必要时切断微波放大器(35)的电源以保护微波放大器(35)。

5.如权利要求1所述的一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统，其特征在于，所述组合式三轴位移台(5)由三轴压电式精密位移台(51)、单轴压电式精密位移台(52)、倾角调整架(53)、X-Y轴二维步进电机位移台(54)及单轴一维步进电机位移台(55)组成；三轴压电式精密位移台(51)固定在X-Y轴二维步进电机位移台(54)上，单轴压电式精密位移台(52)固定在单轴一维步进电机位移台(55)上；所述三轴压电式精密位移台(51)用于固定并调整金刚石样品(7)的位置；所述单轴压电式精密位移台(52)用于固定并调整显微物镜(14)的位置；所述倾角调整架(53)用于调整金刚石样品(7)在加工和检测范围内与显微物镜保持垂直；所述X-Y轴二维步进电机位移台(54)用于大范围移动金刚石样品(7)加工和检测位置；所述单轴一维步进电机位移台(55)用于大范围移动显微物镜(14)，便于更换显微物镜和粗调聚焦深度；

所述铜导线天线(37)通过天线支架(40)固定在三轴压电式精密位移台(51)上，用于向金刚石样品(7)施加微波磁场的同时在通过组合式三轴位移台(5)移动金刚石样品(7)过程中不会与金刚石样品(7)产生相对位置移动。

6.如权利要求1所述的一种金刚石NV色心的定点加工方法，其特征在于，应用于一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统，包括如下步骤：将金刚石样品固定在倾角调整架上，将显微物镜降至工作高度，调节倾角调整架使金刚石样品表面与显微物镜在加工区域内保持垂直；随后，使用预先设定的加工参数，由LabVIEW软件通过控制组合式三轴位移台，采用逐点方法在设定加工位置进行飞秒激光直写加工。

7.如权利要求6所述的一种金刚石NV色心的定点加工方法，其特征在于，飞秒激光的重复频率为10KHz-100KHz，脉冲宽度为120fs-280fs；采用的物镜为50-100倍镜头，数值孔径为0.8-1.25；激光加工的单脉冲能量15-100nJ；加工位置点间距可设置为200-20000nm。

8.如权利要求6所述的一种金刚石NV色心的定点检测方法，其特征在于，应用于一种金刚石NV色心的定点加工与检测系统，包括如下步骤：

步骤一：金刚石NV色心的荧光检测；

首先，将退火后的金刚石样品固定在倾角调整架上，将显微物镜降至工作高度，调节倾角调整架使金刚石样品表面与物镜在加工区域内保持垂直；随后，使用激发激光通过物镜聚焦在加工区域，使用预先设定的荧光扫描参数，由LabVIEW软件通过控制组合式三轴位移台，采用逐点、逐层扫描的方法激发样品，并读取时间相关单光子计数器的计数值绘制荧光扫描图像；最后，定位每个荧光发光中心并记录坐标，分析坐标误差，调节激发光偏振角度，记录时间相关单光子计数器31显示每秒计数值最高时的激发光偏振角度，使用时间相关单光子计数器测量光子时间关系分布曲线，曲线归一化后计算得到g⁽²⁾(0)值，所述g⁽²⁾(0)值代表光子的反聚束效应，根据g⁽²⁾(0)值小于0.5判定该荧光发光中心为单NV色心；

步骤二：金刚石NV色心的光探测磁共振检测；

首先，在外加静磁场下，由LabVIEW软件将光探测磁共振检测参数写入时序逻辑控制器；其次，由时序逻辑控制器控制激发激光和高速微波开关，并分别计数信号光时间和参考光时间内单光子探测器发出的电脉冲信号，按写入参数重复该时序操作；改变微波信号频率后重复上述步骤；最后，使用参考光时间内的脉冲计数将信号光计数归一化后绘制归一化数值与微波频率关系曲线—光探测磁共振曲线，并结合曲线峰值差值和激发光偏振角度判定NV色心在金刚石内部取向。

9.如权利要求8所述的一种金刚石NV色心的定点检测方法，其特征在于，步骤一中的NV色心荧光发光中心坐标误差分析，即加工NV色心实际坐标与设定坐标存在的偏差，包括X、Y和Z轴三个方向的偏差，通过以下公式获得：

其中n为位置参量的个数，X₁…X_n代表X轴向实际测量的位置坐标，X₀₁…X_0n代表X轴向设定的加工坐标，两者差值为偏差量ΔX，Y轴同理，设定加工深度始终为Z₀；

由于样品扫描移动方向与样品加工设定坐标方向间存在一个夹角，使得NV色心荧光发光中心坐标与设定坐标无法直接计算偏差，因此定义同一加工点阵中处于同一加工直线上的两个发光中心分别为坐标原点和参考点，其中坐标原点用(X₀，Y₀)表示，两点与X轴构成的夹角

其中，ΔX、ΔY为两个发光中心的坐标差值；

扫描阵列坐标经θ角旋转校正后，处于同一直线上间隔相同的加工点理想坐标为X_0i＝X₀+cosθ·ΔX_i，Y_0i＝Y₀+sinθ·ΔY_i，Z_0i＝Z₀，与扫描获得的NV色心荧光发光中心坐标差值即为实际误差。

10.如权利要求8所述的一种金刚石NV色心的定点检测方法，其特征在于，步骤二中由时序逻辑控制器控制时序操作与脉冲计数需重复10⁵～10⁶次；微波信号频率在0.05MHz至1MHz范围内步进，并以2.87GHz为中心，步进点数为50-1000点；NV色心在金刚石内部晶向取向判定在于通过最大激发NV色心时，激发激光线偏振角度相差50°，以此将NV色心4种不同晶向取向区分为“平面内”、“平面外”两类取向；通过外加两组不同大小和方向的静磁场下，测得的光探测磁共振曲线峰值差与外加静磁场在NV色心轴向方向分量成正比，结合金刚石晶体切割平面和偏振取向可以具体判定金刚石NV色心的内部晶向取向。

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