CN114858314A - 一种基于nv色心的金刚石应力测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于NV色心的金刚石应力测量系统及方法，包括光学激发单元、荧光收集单元、光电脉冲控制与数据分析单元、软件控制单元；光学激发单元将发出的激光通过光学部件聚焦于荧光收集单元，所述光电脉冲控制与数据分析单元包括激光源、微波信号源和脉冲发生器，脉冲发生器通过两路同步脉冲信号控制系统的协同运作，其中第一路信号用作激光源的外部触发，第二路信号提供给微波信号源；同时光电脉冲控制与数据分析单元对收集到的荧光强度信息进行数据分析，绘制光学探测磁共振谱，完成对待测金刚石应力大小的高分辨率测量计算，该测量系统及方法成本低且操作简便，能直接利用金刚石磁传感设备，可适用于指导NV色心磁传感器的设计和优化。
Description
技术领域
本发明属于量子传感技术领域，具体涉及一种基于NV色心的金刚石应力测量系统及方法。
背景技术
金刚石中的氮-空位色心（NV色心）是一种重要的量子传感器，在微波电磁场成像、温度测量等领域有广泛的应用。制备NV色心需要用到人工合成金刚石技术，而金刚石晶体在生长过程中，会出现应力分布不均的情况，这种固有的应力不均匀性会不均匀地改变NV基态共振频率，破坏NV自旋退相干时间，造成对磁成像敏感度的限制。因此，为了优化NV色心磁场成像，有必要对金刚石的应力分布进行测量。
传统的应力测量方法主要分为两大类：机械法和物理检测法。机械法测量应力一般是将待测部分从构件中分离或切割出来，使应力释放，然后测量其应变的变化求出应力，主要包括钻孔法、取条法等。由于该类方法测量应力会对待测器件造成不可避免的破坏和损伤，因此不适合用于对金刚石量子传感器的应力测量。而物理检测法一般是通过材料受应力作用产生形变等效应，依据其与所受应力大小的关系，通过谱线等手段通过测量其他物理量推出局部应力大小。该类方法为无损测量，但成本及技术要求较高，且特定方法只适用于某类材料。例如，X射线衍射法和中子衍射法的依据是晶体不同晶粒的同族晶面面间距随晶面方位及应力的大小发生有规律的变化，从而使X射线或中子束衍射谱线发生位偏移，因此只适用于晶体应力的测量；Stoney公式法的原理是镀有薄膜的基底在薄膜残余应力的作用下会发生挠曲，可通过激光干涉仪或者面轮廓仪测出挠曲的曲率半径从而反映薄膜残余应力的大小，因此只适用于测量薄膜应力；磁测法是利用铁磁材料的磁致伸缩效应将应力的变化转化成可以测量的电量（如电压） 来测量应力，因此只适用于铁磁性材料；超声波法则是利用受应力材料中的声双折射现象，通过有无应力时超声波在各向同性弹性体内传播速度的不同来测量残余应力，只能检测构件的表面应力，所研究的对象主要是金属材料中的钢铁和铝制品。
而金刚石中的点缺陷NV色心，由于其电子自旋能级分布对所受应力敏感的特性，有潜力对所处局部应力大小进行测量。由于NV色心同时也作为磁传感单元，因此能够与磁成像设备合为一体进行无损应力测量。测量原理是依靠应力场影响下NV色心简并能级ms=±1的微弱劈裂，利用光探测磁共振（ODMR）技术测量出分裂子能级间的能极差，继而通过推算得到该点局部应力大小。
保证无损、尽可能降低成本及无需施加额外射线是量子磁传感器中金刚石探头应力测量的关键因素。因此，本发明利用金刚石中所含的作为磁传感单元的NV色心对其应力测量进行进一步研究。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，利用金刚石NV色心零磁场下自旋能级和局部应力场敏感的特性，结合光学探测磁共振技术，提出了一种金刚石表面应力场由于人工生长而分布不均的高分辨率探测方法，可适用于指导NV色心磁传感器的设计和优化。
本发明为解决上述技术问题采用的技术方案如下：
一种基于NV色心的金刚石应力测量系统，包括光学激发单元、荧光收集单元、光电脉冲控制与数据分析单元、软件控制单元；所述光学激发单元将发出的激光通过光学部件聚焦于所述荧光收集单元，所述光电脉冲控制与数据分析单元包括激光源、微波信号源和脉冲发生器，所述脉冲发生器通过两路同步脉冲信号控制系统的协同运作，其中第一路信号用作激光源的外部触发，第二路信号提供给微波信号源；同时所述光电脉冲控制与数据分析单元对所述荧光收集单元收集到的荧光强度信息进行数据分析，绘制光学探测磁共振谱，后通过软件控制单元分析所述光学探测磁共振谱，完成对待测金刚石应力大小的测量计算。
进一步地，所述光学激发单元包括共聚焦光路，所述共聚焦光路包括反射镜、光阑、透镜一、二向色镜一、物镜一、物镜二，所述激光源发出的激光依次经过反射镜、光阑、透镜一后成为平行光，而后所述平行光经二向色镜一后被反射到物镜一，再经物镜一聚焦于所述待测金刚石表面；所述金刚石发出的荧光依次通过上述物镜一、二向色镜一、物镜二后聚集于所述荧光收集单元；其中，所述激光到达光阑后形成的激光点光源和荧光所聚集的荧光接收点相对于待测金刚石样品前的物镜一焦平面是共轭的；
所述荧光收集单元包括单光子计数器；
所述光电脉冲控制与数据分析单元还包括频谱仪，所述单光子计数器收集到的荧光强度信息传输到所述频谱仪进行频域分析。
进一步地，所述光学激发单元还包括电控位移台，所述待测金刚石设置于电控位移台上，所述电控位移平台的移动范围根据待测金刚石大小进行设置。
进一步地，所述光学激发单元包括半波片、偏振分光棱镜、透镜二、声光调制器、透镜三、二向色镜二、物镜三、透镜四，所述激光源发出的激光依次进入半波片、偏振分光棱镜、透镜二后聚焦于声光调制器，而后经透镜三准直，经二向色镜二后被反射进入物镜三，聚焦于所述待测金刚石表面；所述待测金刚石发出的荧光依次通过所述物镜三、二向色镜二、透镜四后聚集于所述荧光收集单元；
所述荧光收集单元包括CMOS相机及设置于所述透镜四和CMOS相机之间的滤光片；
所述光电脉冲控制与数据分析单元还包括微波泵浦子系统，所述微波泵浦子系统包括功率放大器、微波隔离器、微波开关。
所述软件控制单元包括CMOS相机差分图像采集程序。
进一步地，所述光学激发单元、荧光收集单元、光电脉冲控制与数据分析单元均固定在气平衡隔振光学平台上，并采用密封盒罩住整个光路以屏蔽干扰。
进一步地，所述软件控制单元采用Labview软件进行编写。
一种基于NV色心的金刚石应力测量方法，其应用于上述基于NV色心的金刚石应力测量系统中，具体包括如下步骤：
1）准备NV色心样品及待测金刚石部件；
2）第一路信号，即激光脉冲控制激光源发出532nm激光，经反射镜、光阑、透镜一、二向色镜一、物镜一聚焦于待测金刚石，对待测金刚石表面的NV色心样品起到极化作用；
3）第二路信号，即微波脉冲打开微波信号源，施加微波频率与NV色心电子自旋能级共振，激发部分电子到ms=±1态；
4）关闭微波信号源，打开激光源，物镜一收集待测金刚石发出的荧光信号，所述荧光信号再依次通过二向色镜一、物镜二聚焦于单光子计数器的荧光接收区域进行计数；
5）轮流置高激光脉冲和微波脉冲，重复上述步骤2-4若干周期，将收集到的经过单光子计数器计数的荧光强度信息传输到频谱仪；
6）在微波频率不变的情况下，重复上述步骤2-5若干次，绘制光学探测磁共振谱上该频率点的荧光数值；
7）改变微波频率，重复步骤2-6得到光学探测磁共振谱，计算待测金刚石局部应力大小；通过调整NV色心样品到待测金刚石不同位置，进而得到金刚石表面整体应力分布，并进行成像。
一种基于NV色心的金刚石应力测量方法，其应用于上述基于NV色心的金刚石应力测量系统中，具体包括如下步骤：
1）准备NV色心样品及待测金刚石部件；
2）第一路信号，即激光脉冲控制激光源发出532nm激光，经半波片和偏振分光棱镜组成的偏振系统、透镜二后聚焦于声光调制器，而后经透镜三准直后，脉冲形式的平行激光经斜置于物镜三上方的二向色镜二后被反射进入物镜三，聚焦于待测金刚石，对待测金刚石表面的NV色心样品起到极化作用；
3）第二路信号，即微波脉冲打开微波开关，施加微波频率与NV色心电子自旋能级共振，激发部分电子到ms=±1态；
4）关闭微波信号源，打开激光源，物镜三收集待测金刚石发出的荧光信号，所述荧光信号再依次通过二向色镜二、透镜四、滤光片聚焦到所述CMOS相机镜头；
5）轮流施加激光脉冲和微波脉冲，重复上述步骤2-4若干周期，CMOS相机采集该像素的图像帧；微波信号源内部调制脉冲置低，重复上述操作，使CMOS相机采集到该像素的参考帧；
6）在微波频率不变的情况下，重复上述步骤2-5若干次，绘制光学探测磁共振谱上该频率点的荧光数值；
7）改变微波频率，重复步骤2-6得到光学探测磁共振谱，计算待测金刚石局部应力大小；调整物镜三聚焦于不同像素，通过像素阵列得到金刚石表面整体应力的宽场图。
本发明的技术方案能产生以下的技术效果：
本发明基于金刚石磁场传感器中本来含有的作为测磁传感单元的NV色心这一固态量子比特，利用其光学特性和电子自旋能级对所受应力场敏感的性质，提供了一种金刚石表面应力场由于人工生长而分布不均的高分辨探测方法，该测量系统及方法成本低且操作简便，能够直接利用金刚石磁传感的设备，无需外加X射线、超声波等额外物质，与传统机械法测应力相比，对金刚石部件无破坏性，适合用于NV色心磁传感器的设计和制造；同时本测量系统及方法精度较高，能够应用到人工合成金刚石应力分布的测量中，从而指导NV色心磁传感器的设计和优化。
附图说明
图1是本发明的基于NV色心的金刚石应力测量系统示意图；
图2是本发明实施例1的金刚石应力测量系统共聚焦光路示意图；
图3是本发明的激光脉冲、微波脉冲和微波信号源内部调制脉冲时序图；
图4是本发明实施例2的金刚石应力测量系统结构示意框图。
附图标记：1-单光子计数器，2-物镜二，3-二向色镜一，4-物镜一，5-NV色心样品，6-待测金刚石，7-透镜一，8-光阑，9-反射镜，10-激光源，12-半波片，13-偏振分光棱镜，14-透镜二，15-声光调制器，16-透镜三，17-CMOS相机，18-滤光片，19-透镜四，20-二向色镜二，21-物镜三， 24-微波信号源，25-微波开关，26-功率放大器，27-微波隔离器，28-微波天线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。需说明的是，附图均采用简化的形式和非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例1
如图2所示，本实施例提供了一种基于NV色心的金刚石应力测量系统及其测量方法，该系统基于共聚焦显微技术，包括光学激发单元、荧光收集单元、光电脉冲控制与数据分析单元、软件控制单元；所述光学激发单元的核心是共聚焦光路，所述共聚焦光路包括反射镜9、光阑8、透镜一7、二向色镜一3、物镜一4、物镜二2，所述激光源10发出的激光依次经过反射镜9、光阑8、透镜一7后成为平行光，而后所述平行光经二向色镜一3后被反射到物镜一4，再经物镜一4聚焦于所述待测金刚石表面。所述荧光收集单元包括单光子计数器1。如图2所示，激光源10受脉冲控制发出532nm的绿色激光，经由反射镜9反射到达光阑8，所述光阑8为孔径光阑；光阑8滤除非焦点的光信号，将激光信号变为一点光源；发射的激光经过透镜一7准直后后抵达二向色镜一3，由于二向色镜一3具有反射绿光透过红光的特性，故该绿色激光会经过二向色镜一3的反射进入物镜一4中，所述物镜一4将激光进行聚焦，焦点位于放置在待测金刚石6表面的块状NV样品5上，激发其发出637nm的红色荧光。所述红色荧光依次通过上述物镜一4、二向色镜一3进行返回，在经过二向色镜一3时，由于二向色镜一3可透过红光的特性，透过其的红色荧光会通过物镜二2聚焦到单光子计数器1的荧光接收区域。
由于激光到达孔径光阑8后形成的激光点光源和NV色心辐射荧光所聚焦的荧光接收点相对于样品前端的物镜一4焦平面是共轭的，焦平面上的点同时聚焦于光阑8光孔和单光子计数器1接收区域，焦平面以外的光不会照射到荧光接收区域影响到荧光的采集，即共聚焦。以激光作为光源并对NV样品进行扫描，在此过程中两次聚焦。整个光学激发单元与荧光收集单元都放在隔绝外界光线的暗室中。
所述光电脉冲控制与数据分析单元包括激光源、微波信号源、脉冲发生器及频谱仪，所述光电脉冲控制与数据分析系统的核心器件是脉冲发生器，所述脉冲发生器产生两路同步脉冲信号作为脉冲控制序列，如图3所示，其中第一路TTL信号，即激光脉冲，用作激光源的外部触发，对激光源进行脉冲调制；第二路TTL信号，即微波脉冲，提供给微波信号源，在激光脉冲低电平窗口，周期与激光脉冲相同。另设置微波信号源为内部调制模式，用频率为1kHz、占空比为50%的内部调制信号对微波脉冲进行副载波调制。上述TTL信号是保持同步的，脉冲发生器工作流程如下：
（1）副载波调制脉冲置高；
（2）第一路激光脉冲置高500ns，在该段时间内第二路微波脉冲保持低电平；
（3）第一路激光脉冲置低500ns，在该段时间内第二路微波脉冲置高300ns；
（4）重复上述步骤（2）到步骤（3）M个周期；
（5）副载波调制脉冲置低，重复步骤（2）到步骤（4），将副载波脉冲高电平和低电平期间收集的荧光强度取差分，以消除激光涨落噪声的影响；
（6）重复上述步骤（1）到步骤（5）N个周期，并将N个周期的测量数据平均，以用多次测量减轻光学散粒噪声的影响。
所述单光子计数器1采集到的荧光信号传输到频谱仪进行频域分析，可以检测到1MHz的载波信号以及1kHz的边带信号,通过测量具有1MHz载波频率的荧光脉冲边带信号，即可计算施加脉冲与不施加脉冲的荧光信号差值，再根据微波扫频范围，绘制出二维光学探测磁共振谱，即ODMR谱。此方法将对荧光主频信号的测量转变为对荧光边带信号的测量，实现了微弱信号高信噪比的测量，信噪比最高可达24dB。所述软件控制单元采用Labview软件编写，用以分析所述ODMR图像，完成对待测金刚石应力大小的测量计算。
应用上述系统的基于NV色心的金刚石应力测量方法，具体包括如下步骤：
1）准备NV色心样品及待测金刚石部件；
2）激光脉冲控制激光源10发出532nm激光，经反射镜9、光阑8、透镜一7、二向色镜一3、物镜一4聚焦于待测金刚石6，对待测金刚石6表面的NV色心5起到极化作用；
3）微波脉冲打开微波信号源，施加微波频率与NV色心电子自旋能级共振，激发部分电子到ms=±1态；
4）关闭微波信号源，打开激光源10，物镜一4收集金刚石发出的荧光信号，所述荧光信号再依次通过二向色镜一3、物镜二2聚焦于单光子计数器1的荧光接收区域进行计数；
5）轮流置高激光脉冲和微波脉冲，重复上述步骤2-4若干周期，将收集到的经过单光子计数器1计数的荧光强度信息传输到频谱仪；
6）在微波频率不变的情况下，重复上述步骤2-5，绘制ODMR谱上该频率点的荧光数值；
7）改变微波频率，重复步骤2-6得到ODMR谱，根据ODMR谱测得共振峰在无外加磁场情况下的微弱劈裂，即可得到反映待测金刚石该点局部应力大小；根据待测金刚石大小设置位移平台的移动范围，在位移平台移动到不同位置的情况下，将NV样品放置于待测金刚石的不同部位，测出每一点的局部应力大小，并通过操纵电控位移台对待测金刚石整体扫描从而成像出其整体应力分布。
实施例2
如图4所示，本实施例提供了另一种基于NV色心的金刚石应力测量系统及其测量方法。本系统包括光学激发单元、荧光收集单元、光电脉冲控制与数据分析单元、软件控制单元；所述光学激发单元包括半波片12、偏振分光棱镜13、透镜二14、声光调制器15、透镜三16、二向色镜二20、物镜三21、透镜四19，所述激光源10发出的激光依次进入半波片12、偏振分光棱镜13、透镜二14后聚焦于声光调制器15，而后经透镜三16准直，经二向色镜二20后被反射进入物镜三21，聚焦于所述待测金刚石表面；所述待测金刚石发出的荧光依次通过所述物镜三21、二向色镜二20、透镜四19后聚集于所述荧光收集单元。本实施例中NV色心薄膜紧贴于待测金刚石表面，本实施例选用长宽为1mm×1mm，厚度为0.1mm且含氮量为10ppm的金刚石色心薄膜样品。如图4所示，激光源10受脉冲控制发出532nm的绿色激光，进入由半波片12与偏振分光棱镜（PBS）13构成的偏振系统被分成两束，调节偏振系统使激光平行入射到透镜二14中心，从而将激光聚焦于声光调制器（AOM）15，施加在AOM15上的调制脉冲置高，激光通过并到达焦距为200mm的透镜三16进行准直，脉冲形式的平行激光经斜置于物镜三21上方的二向色镜二20后被反射进入数值孔径为0.25、放大倍数为10倍的物镜三21，聚焦于待测金刚石6上，照射NV色心样品5，使其发出红色荧光，完成极化。所述红色荧光进入物镜三21准直后，而后透过二向色镜二20，到达焦点对准物镜三21焦点透镜四19，再透过一个波长范围660nm-800nm的玻璃滤光片18滤除绿光杂质，聚焦于CMOS相机17镜头，所述CMOS镜头捕捉到该像素点的一帧图像。
本实施例所述光电脉冲控制与数据分析单元包括激光源10、微波信号源24、脉冲发生器、频谱仪及微波泵浦子系统，所述微波泵浦子系统包括功率放大器26、微波隔离器27、微波开关25，用以驱动NV色心电子的自旋能级跃迁。本实施例中的脉冲控制序列与实施例1相同，第一路TTL信号控制AOM15将连续激光调制为脉冲激光，第二路TTL信号控制微波开关25产生微波脉冲，设置微波信号源24内部调制模式并用一低频方波调制微波脉冲信号。在本实施例中的荧光收集单元采用CMOS相机17采集荧光信号，在施加微波脉冲的前半个周期内捕捉到的作为图像帧，在不施加微波脉冲的后半个周期内捕捉到的作为参考帧，将二者取差分得到荧光差值信息。再通过扫频得到该像素的ODMR谱，计算得到待测金刚石局部应力大小。通过将物镜三21聚焦于待测金刚石的不同像素点，即可通过CMOS相机17的多次拍摄得到待测金刚石表面的整体应力分布情况并成像。
应用上述系统的基于NV色心的金刚石应力测量方法，具体包括如下步骤：
1）准备NV色心样品及待测金刚石部件；
2）第一路信号，即激光脉冲控制激光源10发出532nm激光，输出功率300mW，经半波片12和偏振分光棱镜13组成的偏振系统、透镜二14后聚焦于声光调制器15，而后经透镜三16准直后，脉冲形式的平行激光经斜置于物镜三21上方的二向色镜二20后被反射进入物镜三21，聚焦于待测金刚石6，对待测金刚石6表面的NV色心样品5起到极化作用；
3）第二路信号，即微波脉冲打开微波开关25，施加微波频率与NV色心电子自旋能级共振，激发部分电子到ms=±1态；
4）关闭微波信号源24，打开激光源10，物镜三21收集金刚石发出的荧光信号，所述荧光信号再依次通过二向色镜二20、透镜四19、滤光片18聚焦到所述CMOS相机17镜头；
5）轮流施加激光脉冲和微波脉冲，重复上述步骤2-4若干周期，CMOS相机17采集该像素的图像帧；微波信号源24内部调制脉冲置低，重复上述操作，使CMOS相机17采集到该像素的参考帧；
6）在微波频率不变的情况下，重复上述步骤2-5，绘制光学探测磁共振谱上该频率点的荧光数值；
7）改变微波频率，重复步骤2-6得到光学探测磁共振谱，计算待测金刚石局部应力大小；调整物镜三21聚焦于不同像素，通过像素阵列得到金刚石表面整体应力的宽场图。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于NV色心的金刚石应力测量系统，其特征在于，所述金刚石应力测量系统包括光学激发单元、荧光收集单元、光电脉冲控制与数据分析单元、软件控制单元；所述光学激发单元将发出的激光通过光学部件聚焦于所述荧光收集单元；所述光电脉冲控制与数据分析单元包括激光源（10）、微波信号源（24）和脉冲发生器，所述脉冲发生器通过两路同步脉冲信号控制系统的协同运作，其中第一路信号用作激光源（10）的外部触发，第二路信号提供给微波信号源（24）；同时所述光电脉冲控制与数据分析单元对所述荧光收集单元收集到的荧光强度信息进行数据分析，绘制光学探测磁共振谱，后通过软件控制单元分析所述光学探测磁共振谱，完成对待测金刚石（6）应力大小的测量计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于NV色心的金刚石应力测量系统，其特征在于，所述光学激发单元包括共聚焦光路，所述共聚焦光路包括反射镜（9）、光阑（8）、透镜一（7）、二向色镜一（3）、物镜一（4）、物镜二（2），所述激光源（10）发出的激光依次经过反射镜（9）、光阑（8）、透镜一（7）后成为平行光，而后所述平行光经二向色镜一（3）后被反射到物镜一（4），再经物镜一（4）聚焦于所述待测金刚石（6）表面；所述待测金刚石（6）发出的荧光依次通过上述物镜一（4）、二向色镜一（3）、物镜二（2）后聚集于所述荧光收集单元；其中，所述激光到达光阑（8）后形成的激光点光源和荧光所聚集的荧光接收点相对于待测金刚石（6）样品前的物镜一（4）焦平面是共轭的；
所述荧光收集单元包括单光子计数器（1）；
所述光电脉冲控制与数据分析单元还包括频谱仪，所述单光子计数器（1）收集到的荧光强度信息传输到所述频谱仪进行频域分析。
3.根据权利要求2所述的一种基于NV色心的金刚石应力测量系统，其特征在于，所述光学激发单元还包括电控位移台，所述待测金刚石（6）设置于电控位移台上，所述电控位移平台的移动范围根据待测金刚石（6）大小进行设置。
4.根据权利要求1所述的一种基于NV色心的金刚石应力测量系统，其特征在于，所述光学激发单元包括半波片（12）、偏振分光棱镜（13）、透镜二（14）、声光调制器（15）、透镜三（16）、二向色镜二（20）、物镜三（21）、透镜四（19），当所述激光源（10）发出的激光依次进入半波片（12）、偏振分光棱镜（13）、透镜二（14）后聚焦于声光调制器（15），而后经透镜三（16）准直，经二向色镜二（20）后被反射进入物镜三（21），聚焦于所述待测金刚石（6）表面；所述待测金刚石（6）发出的荧光依次通过所述物镜三（21）、二向色镜二（20）、透镜四（19）后聚集于所述荧光收集单元；
所述荧光收集单元包括CMOS相机（17）及设置于所述透镜四（19）和CMOS相机（17）之间的滤光片（18）；
所述光电脉冲控制与数据分析单元还包括微波泵浦子系统，所述微波泵浦子系统包括功率放大器（26）、微波隔离器（27）、微波开关（25）、微波天线（28）；
所述软件控制单元包括CMOS相机（17）差分图像采集程序。
5.根据权利要求4所述的一种基于NV色心的金刚石应力测量系统，其特征在于，所述光学激发单元固定在气平衡隔振光学平台上，所述荧光收集单元、光电脉冲控制与数据分析单元中存在机械振动的器件都置于不与光学平台接触的仪器架上，并采用密封盒罩住整个光路以屏蔽干扰。
6.根据权利要求2-5任一项所述的一种基于NV色心的金刚石应力测量系统，其特征在于，所述软件控制单元采用Labview软件进行编写。
7.一种基于NV色心的金刚石应力测量方法，其应用于权利要求2或3所述的系统中，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）准备NV色心样品（5）及待测金刚石（6）部件；
2）第一路信号，即激光脉冲控制激光源（10）发出532nm激光，经反射镜（9）、光阑（8）、透镜一（7）、二向色镜一（3）、物镜一（4）聚焦于待测金刚石（6），对待测金刚石（6）表面的NV色心样品（5）起到极化作用；
3）第二路信号，即微波脉冲打开微波信号源，施加微波频率与NV色心电子自旋能级共振，激发部分电子到ms=±1态；
4）关闭微波信号源，打开激光源（10），物镜一（4）收集待测金刚石（6）发出的荧光信号，所述荧光信号再依次通过二向色镜一（3）、物镜二（2）聚焦于单光子计数器（1）的荧光接收区域进行计数；
5）轮流置高激光脉冲和微波脉冲，重复上述步骤2）-4）若干周期，将收集到的经过单光子计数器（1）计数的荧光强度信息传输到频谱仪；
6）在微波频率不变的情况下，重复上述步骤2）-5）若干次，绘制光学探测磁共振谱上该频率点的荧光数值；
7）改变微波频率，重复步骤2）-6）得到光学探测磁共振谱，计算待测金刚石（6）局部应力大小；通过调整NV色心样品（5）到待测金刚石（6）不同位置，进而得到待测金刚石（6）表面整体应力分布，并进行成像。
8.一种基于NV色心的金刚石应力测量方法，其应用于权利要求4或5所述的系统中，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）准备NV色心样品（5）及待测金刚石（6）部件；
2）第一路信号，即激光脉冲控制激光源（10）发出532nm激光，经半波片（12）和偏振分光棱镜（13）组成的偏振系统、透镜二（14）后聚焦于声光调制器（15），而后经透镜三（16）准直后，脉冲形式的平行激光经斜置于物镜三（21）上方的二向色镜二（20）后被反射进入物镜三（21），聚焦于待测金刚石（6），对待测金刚石（6）表面的NV色心样品（5）起到极化作用；
3）第二路信号，即微波脉冲打开微波开关（25），施加微波频率与NV色心电子自旋能级共振，激发部分电子到ms=±1态；
4）关闭微波信号源（24），打开激光源（10），物镜三（21）收集待测金刚石（6）发出的荧光信号，所述荧光信号再依次通过二向色镜二（20）、透镜四（19）、滤光片（18）聚焦到所述CMOS相机（17）镜头；
5）轮流施加激光脉冲和微波脉冲，重复上述步骤2）-4）若干周期，CMOS相机（17）采集该像素的图像帧；微波信号源（24）内部调制脉冲置低，重复上述操作，使CMOS相机（17）采集到该像素的参考帧；
6）在微波频率不变的情况下，重复上述步骤2）-5）若干次，绘制光学探测磁共振谱上该频率点的荧光数值；
7）改变微波频率，重复步骤2）-6）得到光学探测磁共振谱，计算待测金刚石（6）局部应力大小；调整物镜三（21）聚焦于不同像素，通过像素阵列得到待测金刚石（6）表面整体应力的宽场图。
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