CN114894339B - 一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置与方法 - Google Patents

一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置与方法，其特征在于：包括光纤激光器、多模保偏光纤、光纤二向色镜、附着有固体色心金刚石颗粒的光纤探头、光纤滤波器、光纤探测器、数据处理单元，所述多模保偏光纤连接所述光纤激光器和所述光纤二向色镜，所述光纤激光器发出的激光经所述光纤二向色镜反射至所述光纤探头的固体色心金刚石颗粒上，固体色心金刚石颗粒被激光激发后发出荧光，所述荧光经所述光纤二向色镜后，经过所述光纤滤波器后到达所述光纤探测器，所述光纤探测器与所述数据处理单元电信连接，本发明既可在温度稳定的环境中对固定样品进行测温，也可在自由活动的动物身上进行光纤测温，应用范围广泛。

Description

一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置与方法
技术领域
本发明涉及高精度温度测量技术领域，特别涉及一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置与方法。
背景技术
温度是热力学的基本单位，是确认物质状态最重要的参数之一。温度的测量在工农业生产、科学实验、生物医学研究等领域中占有极重要的地位。传统的温度测量方法主要是利用红外辐射的方法进行成像分析，但这类方法空间分辨率低、测量精度低、响应慢。现今，高分辨率温度测量方法主要有拉曼光谱测温法、分子标记测温法以及热扫描显微成像测量法等。但是，这些方法容易受到染料荧光率以及环境荧光波动所影响，从而导致所得到的测量结果灵敏度较低，随机误差较大。
固体色心，如NV (Nitrogen-Vacancy)色心、GeV（Germanium-Vacancy）色心等是金刚石结构中的一种具有发光特性的自旋缺陷，其中包括一个替换碳原子的原子及其相邻的空穴。近年来，由于在室温下具有很多如光稳定性、生物相容性、化学惰性、长自旋相干以及弛豫时间等的优良的性能，使其研究越来越广泛。基于固体色心金刚石的量子传感温度测量同时具备较高的温度灵敏度、空间分辨率和快速的热响应时间。与现有的高灵敏度辐射测温技术相比，金刚石的小体积、高灵敏度和高空间分辨率均具有明显优势。
传统基于固体色心自旋的测量方法需要脉冲光源以及微波发生及调制装置，很难实现测量仪器的小型化及便携化，对生物体温度测量等应用方向会产生限制，因此，亟需一种小型化的测温装置。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置与方法。本发明基于微米级和纳米级固体色心金刚石做温度传感，具有小体积、高灵敏度和高空间分辨率的优势；采用全光纤结构，激光传输稳定性好，适用于多种金刚石色心样品，易于实现小型化与集成化，且对生命体无毒害，可应用于多种温度测量领域。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明公开了一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置，包括光纤激光器、多模保偏光纤、光纤二向色镜、附着有固体色心金刚石颗粒的光纤探头、光纤滤波器、光纤探测器、数据处理单元，所述多模保偏光纤连接所述光纤激光器和所述光纤二向色镜，所述光纤激光器发出的激光经所述光纤二向色镜反射至所述光纤探头的固体色心金刚石颗粒上，固体色心金刚石颗粒被激光激发后发出荧光，所述荧光经所述光纤二向色镜后，经过所述光纤滤波器后到达所述光纤探测器，所述光纤探测器与所述数据处理单元电信连接。
作为优选的，所述光纤激光器产生工作波长为532nm的单色光。
作为优选的，所述光纤滤波器为窄带陷波滤波器，陷波波长为532nm。
作为优选的，所述固体色心金刚石颗粒为氮-空位色心的纳米级或微米级金刚石颗粒，固定于所述光纤探头上。
作为优选的，所述光纤二向色镜反射激光，透射荧光；所述光纤滤波器隔离激发激光，透过荧光。
本发明公开了一种基于固体色心自旋的全光学量子测温方法，包括如下步骤：
S1：搭建基于固体色心自旋的全光学量子测温装置：通过多模保偏光纤连接光纤激光器和光纤二向色镜，光纤二向色镜反射光方向设置附着有固体色心金刚石颗粒的光纤探头，所述光纤二向色镜透射光方向依次布置光纤滤波器、光纤探测器和数据处理单元；
S2：光纤激光器发出激光，通过多模保偏光纤传输至光纤二向色镜，光纤二向色镜反射激光至所述光纤探头的固体色心金刚石颗粒上，固体色心金刚石颗粒被激光激发后发出荧光；
S3：所述荧光透射经过所述光纤二向色镜后，经光纤滤波器后到达光纤探测器，在光纤探测器上得到荧光检测电压信号；
S4：光纤探测器上得到的荧光检测电压信号传输至数据处理单元，处理得到荧光光谱，并根据光谱频移得到待测物体的测量温度。
作为优选的，对于固定测温样本，将固定测温样本安装在三轴电控位移台上，置于光纤二向色镜与光纤探头之间，固定光纤探头，通过控制三轴电控位移台以固定的步长进行移动，测量测温样本各点温度，进行温度场成像。
作为优选的，对于自由移动测温样本，在待测样本上植入一段光纤，将所述光纤与光纤探头固定连接，对自由移动测温样本进行长期测温。
本发明的有益效果：
（1）本发明基于微米级和纳米级固体色心金刚石做温度传感，具有小体积、高灵敏度和高空间分辨率的优势；
（2）本发明不包含脉冲发生装置及微波发生调节等装置，大大减小了装置体积，提高了便携性及灵活性；
（3）本发明采用全光纤结构，激光传输稳定性好，光线探头可更换，适用于多种固体色心金刚石颗粒，易于实现小型化与集成化，且对生命体无毒害；
（4）本发明既可在温度稳定的环境中对固定样品进行测温，也可在自由活动的动物身上进行光纤测温，应用范围广泛。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图中：光纤激光器-1、多模保偏光纤-2、光纤二向色镜-3、光纤探头-4、固体色心金刚石颗粒-5、光纤滤波器-6、光纤探测器-7、数据处理单元-8。
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。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置，包括光纤激光器1、多模保偏光纤2、光纤二向色镜3、附着有固体色心金刚石颗粒5的光纤探头4、光纤滤波器6、光纤探测器7、数据处理单元8，所述多模保偏光纤2连接所述光纤激光器1和所述光纤二向色镜3，所述光纤激光器1发出的激光经所述光纤二向色镜3反射至所述光纤探头4的固体色心金刚石颗粒5上，固体色心金刚石颗粒5被激光激发后发出荧光，所述荧光经所述光纤二向色镜3后，经过所述光纤滤波器6后到达所述光纤探测器7，所述光纤探测器7与所述数据处理单元8电信连接。
所述光纤激光器1产生工作波长为532nm的单色光。
所述光纤滤波器6为窄带陷波滤波器，陷波波长为532nm。
所述固体色心金刚石颗粒5为氮-空位色心的纳米级或微米级金刚石颗粒，粘接固定于所述光纤探头4上。
所述光纤二向色镜3反射激光，透射荧光；所述光纤滤波器6隔离激发激光，透过荧光。
本发明实施例还提供了一种基于固体色心自旋的全光学量子测温方法，包括如下步骤：
S1：搭建基于固体色心自旋的全光学量子测温装置：通过多模保偏光纤连接光纤激光器和光纤二向色镜，光纤二向色镜反射光方向设置附着有固体色心金刚石颗粒的光纤探头，所述光纤二向色镜透射光方向依次布置光纤滤波器、光纤探测器和数据处理单元；
S2：光纤激光器发出激光，通过多模保偏光纤传输至光纤二向色镜，光纤二向色镜反射激光至所述光纤探头的固体色心金刚石颗粒上，固体色心金刚石颗粒被激光激发后发出荧光；
S3：所述荧光透射经过所述光纤二向色镜后，经光纤滤波器后到达光纤探测器，在光纤探测器上得到荧光检测电压信号；
S4：光纤探测器上得到的荧光检测电压信号传输至数据处理单元，处理得到荧光光谱，并根据光谱频移得到待测物体的测量温度。
对于固定测温样本，将固定测温样本安装在三轴电控位移台上，置于光纤二向色镜与光纤探头之间，固定光纤探头，通过控制三轴电控位移台以固定的步长进行移动，测量测温样本各点温度，进行温度场成像。
对于自由移动测温样本，在待测样本上植入一段光纤，将所述光纤与光纤探头固定连接，对自由移动测温样本进行长期测温。
本发明各部件的具体作用以及具体测温方法如下：
一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置，包括光纤激光器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；多模保偏光纤2，可传输不同波长的激发光与荧光；光纤二向色镜3，反射激发光，透射荧光；光纤探头4，固体色心金刚石颗粒5，作为测温探头，发生荧光反应；光纤滤波器6，隔离激发光，透过荧光；光纤探测器7，收集荧光检测电压信号，数据处理单元8，得到荧光光谱信号，计算待测温度。
本发明的实现步骤如下：
光纤激光器1产生波长为532nm的单色光，通过多模保偏光纤2传输到光纤二向色镜3将波长532nm的激发激光反射到固体色心金刚石颗粒5上，经过532nm激光激发后的固体色心电子自旋系统发出波长在600~800 nm范围内的荧光。所发出的荧光经过光纤二向色镜3后经过带阻为532nm的光纤滤波器6将激发激光隔离，在光纤探测器7上得到荧光检测电压信号，得到的荧光检测电压信号由数据处理单元8处理得到荧光光谱，并根据光谱频移得到待测物体的测量温度。
固定测温样本可置于三轴电控位移台上，此时所述光纤探头固定，通过控制三轴电控位移台以固定的步长进行移动，测量测温样本各点温度，可进行温度场成像。
对自由活动的动物身上进行光纤测温，可在待测样本身上植入一段光纤，测温时此光纤与光纤探头进行连接固定，可对自由活动的物体进行长期测温。
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 (7)

1.一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置，其特征在于：包括光纤激光器（1）、多模保偏光纤（2）、光纤二向色镜（3）、附着有固体色心金刚石颗粒（5）的光纤探头（4）、光纤滤波器（6）、光纤探测器（7）、数据处理单元（8），所述多模保偏光纤（2）连接所述光纤激光器（1）和所述光纤二向色镜（3），所述光纤激光器（1）发出的激光经所述光纤二向色镜（3）反射至所述光纤探头（4）的固体色心金刚石颗粒（5）上，固体色心金刚石颗粒（5）被激光激发后发出荧光，所述荧光经所述光纤二向色镜（3）后，经过所述光纤滤波器（6）后到达所述光纤探测器（7），所述光纤探测器（7）与所述数据处理单元（8）电信连接；
所述装置的测温步骤如下：
S1：搭建基于固体色心自旋的全光学量子测温装置：通过多模保偏光纤连接光纤激光器和光纤二向色镜，光纤二向色镜反射光方向设置附着有固体色心金刚石颗粒的光纤探头，所述光纤二向色镜透射光方向依次布置光纤滤波器、光纤探测器和数据处理单元；
S2：光纤激光器发出激光，通过多模保偏光纤传输至光纤二向色镜，光纤二向色镜反射激光至所述光纤探头的固体色心金刚石颗粒上，固体色心金刚石颗粒被激光激发后发出荧光；
S3：所述荧光透射经过所述光纤二向色镜后，经光纤滤波器后到达光纤探测器，在光纤探测器上得到荧光检测电压信号；
S4：光纤探测器上得到的荧光检测电压信号传输至数据处理单元，处理得到荧光光谱，并根据光谱频移得到待测物体的测量温度。
2.如权利要求1所述的一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置，其特征在于：所述光纤激光器（1）产生工作波长为532nm的单色光。
3.如权利要求1所述的一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置，其特征在于：所述光纤滤波器（6）为窄带陷波滤波器，陷波波长为532nm。
4.如权利要求1所述的一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置，其特征在于：所述固体色心金刚石颗粒（5）为氮-空位色心的纳米级或微米级金刚石颗粒，固定于所述光纤探头（4）上。
5.如权利要求1所述的一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置，其特征在于：所述光纤二向色镜（3）反射激光，透射荧光；所述光纤滤波器（6）隔离激发激光，透过荧光。
6.如权利要求1所述的一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置，其特征在于：对于固定测温样本，将固定测温样本安装在三轴电控位移台上，置于光纤二向色镜与光纤探头之间，固定光纤探头，通过控制三轴电控位移台以固定的步长进行移动，测量测温样本各点温度，进行温度场成像。
7.如权利要求1所述的一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置，其特征在于：对于自由移动测温样本，在待测样本上植入一段光纤，将所述光纤与光纤探头固定连接，对自由移动测温样本进行长期测温。
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