CN115032224A - 脉冲强场磁共振系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种脉冲强场磁共振系统，包括：固态自旋传感器，承载待测样品；脉冲强磁场生成单元，为固态自旋传感器及其承载的待测样品提供局部均匀强磁场；泵浦光单元，产生所需波长的泵浦光；镜头，将泵浦光聚焦至固态自旋传感器，产生荧光光子信号；微波射频控制单元，发出微波和射频调控信号，微波调控信号用于调控固态自旋传感器的电子自旋，射频调控信号用于调控待测样品的自旋，待测样品的自旋作用于固态自旋传感器的电子自旋，使得固态自旋传感器的电子自旋量子态累积相位，得到调控后的荧光光子信号；信号收集单元，收集并处理调控后的荧光光子信号得到目标荧光光子信号；以及信号处理单元，根据目标荧光光子信号得到待测样品的自旋信息。

Description

脉冲强场磁共振系统
技术领域
本公开涉及量子精密测量及交叉技术领域，尤其涉及一种脉冲强场磁共振系统。
背景技术
在强磁场下物质本身的理化性质会有巨大改变，当产生的塞曼能量与材料的一些本征相互作用（如交换作用、晶体场、自旋轨道耦合、自旋 —晶格耦合、电子关联等）相当的时候，可以诱导出新的相变和物态。强磁场在实现室温量子霍尔效应、拓扑绝缘体的量子反常霍尔效应等前沿工作中都发挥了重要作用。
强磁场也为发展更先进的实验测量技术提供了条件。强磁场下的舒布尼科夫 -德哈斯效应可以用来研究电子能带结构，强磁场下的磁共振技术（包括核磁共振、电子自旋共振、铁磁共振等）和强磁场穆斯堡尔谱可以大幅度提高磁性测量的灵敏度和分辨率，脉冲强磁场也为激发和探测超快自旋动力学提供了强有力的手段。强磁场与极低温、超高压、强激光等其他极端条件相结合产生的先进实验设施，将会极大地提高人类探索研究物质科学的能力。
基于以上两点重要原因，国内外筹划搭建了众多强磁场科学中心，如中国科学院合肥强磁场科学中心，武汉国家脉冲强磁场科学中心等。这些强磁场系统能够提供几T到几十T的磁场，2K到室温乃至超高温的样品温度，拥有如60mm空间不均匀小于10ppm等磁体参数。但大型化国家强磁场实验装置往往需要精妙复杂的磁体设计，参与实验者需要预约使用时间，磁体冷却系统维持经费高昂。
因此，提供一种小型化高集成度便于操作的脉冲强场磁共振系统是一个亟待解决的技术课题。
发明内容
（一）要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种脉冲强场磁共振系统，以缓解现有技术中强场磁共振系统体积大、设计复杂、制备成本和维护成本高，无法探测体积更小的探测目标或探测精度差等技术问题。
（二）技术方案
本公开提供一种脉冲强场磁共振系统，包括：固态自旋传感器，脉冲强磁场生成单元，泵浦光单元，镜头，微波射频控制单元，信号收集单元，信号处理单元。
固态自旋传感器用于承载待测样品；脉冲强磁场生成单元用于为固态自旋传感器及其承载的待测样品提供局部均匀强磁场；泵浦光单元用于产生所需波长的泵浦光；镜头用于将所述泵浦光聚焦至固态自旋传感器，从而产生荧光光子信号；微波射频控制单元连接至设置于固态自旋传感器附近的微波射频辐射线，从而发出微波调控信号和射频调控信号，其中，所述微波调控信号用于调控所述固态自旋传感器的电子自旋，所述射频调控信号用于调控待测样品的自旋，待测样品的自旋作用于固态自旋传感器的电子自旋，使得固态自旋传感器的电子自旋量子态累积相位，从而得到调控后的荧光光子信号；信号收集单元用于收集并处理调控后的荧光光子信号得到目标荧光光子信号；信号处理单元用于根据所述目标荧光光子信号得到待测样品的自旋信息。
根据本公开实施例，固态自旋传感器中的电子自旋深度为10~50nm。
根据本公开实施例，固态自旋传感器包括：金刚石-氮空位色心固态自旋传感器或碳化硅色心固态自旋传感器。
根据本公开实施例，脉冲强磁场生成单元，用以产生微秒时长、百微米尺度、强度大于1T的均匀强磁场，所述脉冲强磁场生成单元：微线圈，为毫米尺度直径的金属线圈；以及脉冲电流发生器，能够产生微秒级时长、峰值电流千安级别的脉冲电流作用于所述微线圈，从而产生强磁场。
根据本公开实施例，泵浦光单元包括：至少一个激光器，每个激光器均可以发射所需波长的激光光束；声光调制器，用于按设定序列脉冲控制激光光束，得到序列光束；光纤耦合-准直系统，用于将自由空间的序列光束耦合入保偏光纤并出射准直光束； 带通滤光片，用于对准直光束进行过滤得到泵浦光；以及双色镜，用于反射所述泵浦光至镜头。
根据本公开实施例，所述双色镜还用于透射荧光光子信号后使所述荧光光子信号进入信号收集单元。
根据本公开实施例，信号收集单元包括：CCD相机，光路组件，单光子计数器。CCD相机用于对荧光光子信号进行光学显示；光路组件用于滤除荧光光子信号中的干扰信号；单光子计数器用于收集滤除干扰信号后的荧光信号。
根据本公开实施例，微波射频控制单元包括：微波模块，射频模块，合束器，功率放大器。微波模块用于设定序列脉冲触发发出微波信号；射频模块用于设定序列脉冲触发发出射频信号；合束器分别连接于所述微波模块和射频模块用于将微波信号和射频信号进行合束得到微波射频信号；功率放大器用于增益所述微波射频信号；所述功率放大器连接至微波射频辐射线，从而发出微波调控信号和射频调控信号。
根据本公开实施例，所述微波模块包括：微波波源，用于发出微波信号；功率分路器，用于对微波信号分束，得到相干的两路微波信号；可调频移器，用于调节两路微波信号相位差；开关，外接脉冲序列触发输出所需波形的微波信号；以及微波合束器，用于将两路微波信号进行合束。所述射频模块包括：射频波源，用于发出射频信号；以及开关，外接脉冲序列触发输出所需波形的射频信号。
根据本公开实施例，脉冲强场磁共振系统，还包括脉冲序列发生器，用于根据需要发出设定脉冲序列。
（三）有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开脉冲强场磁共振系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
（1）系统结构简洁，操作简单，可拓展性高，维护成本需求低；
（2）能够提供百微米尺度的局部均匀强磁场，更适于探测体积更小的样品；
（3）空间分辨率达到纳米尺度，能够高灵敏度的得到待测样品的磁共振信息；
（4）信噪比高，可以得到带宽很高的磁共振谱线。
附图说明
图1为本公开实施例的脉冲强场磁共振系统的磁共振测量原理示意图。
图2为本公开实施例的脉冲强场磁共振系统的组成架构示意图。
图3为本公开实施例的脉冲强磁场生成单元生成强磁场的示意图。
图4为本公开实施例的信号收集单元及泵浦光单元的示意图。
图5为本公开实施例的脉冲强磁场生成单元、微波射频控制单元及泵浦光共同作用于固态自旋传感器的示意图。
图6为本公开实施例的微波射频控制单元的示意图。
图7为本公开实施例的泵浦光、微波控制信号、射频控制信号、数据采集板卡、脉冲强磁场的序列示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-激光器；
2-圆形可调功率衰减片；
3-平面反射镜；
4-声光调制器；
5-光纤耦合-合束器；
6-光纤准直器；
7-带通滤光片；
8-双色镜；
9-镜头；
10样品台；
11-光束分束器；
12-消色差凸透镜；
13-CCD相机；
14-消色差透镜；
15 -Pinhole；
16-消色差透镜一；
17-消色差透镜二；
18-单光子探测器；
19-微波波源；
20-射频波源；
21-功率分路器；
22-可调频移器；
23-开关；
24-微波合束器；
25-合束器；
26-功率放大器；
27-脉冲电流发生器；
28-微线圈；
29-微波射频辐射线；
A-固态自旋传感器；
S-待测样品。
具体实施方式
本公开提供了一种脉冲强场磁共振系统，通过固态自旋传感器以高灵敏度得到待测样品的磁共振信息，由于固态自旋传感器对磁场空间不均匀要求很低，再加上脉冲电流技术，从而通过本公开的脉冲强场磁共振系可以得到带宽很高的磁共振谱线。
在实现本公开的过程中发明人发现，磁共振系统需要综合考虑磁场应力，发热功率，维护成本等；由于脉冲式磁场相对于连续式磁场在同等电流功率下能够达到更高磁场强度，微型磁线圈对机械结构设计要求简单，且能达到局部小区域更高磁场。然而脉冲微线圈磁场的空间均一性通常较差，只能提供微米级别的均匀磁场。传统的磁共振依赖探测线圈来探测样品中的自旋信号，但是由于探测线圈无法与微线圈兼容，因此需要探测体积更小、同时保持高自旋检测灵敏度的新型磁共振探测手段。近期出现的固态自旋量子传感器（金刚石-氮空位色心固态自旋传感器或碳化硅色心固态自旋传感器等）在纳米和微米尺度区域具备极高的自旋探测灵敏度，由于固态自旋传感器本身在原子尺度，因此信号收集范围小，对于磁场空间不均匀性要求更低，对于样品量需求也更低，因此能够探测更微小的样品；而且成熟的调控与读出技术在微秒级的脉冲磁场时间内也可以有效累计信号。如图1所示，以金刚石-氮空位固态自旋传感器为例，由于金刚石-氮空位固态自旋传感器电子自旋与待测样品自旋的耦合作用，当金刚石固态自旋传感器电子自旋处在叠加态时，样品自旋在金刚石固态自旋传感器处产生的等效磁场可以使得金刚石固态自旋传感器电子自旋的量子态累积相位。具体来说，在零磁场下，金刚石固态自旋传感器有如图所示的零磁场下能级结构。3A为基态，3E为激发态，3A基态中包含了自旋量子数ms=0的A1态（低能级态）与自旋量子数ms=±1的E态（高能级态），此时ms=+1的态与ms=-1的态是能量简并的。如图所示，在强磁场下，E态的ms为+1或-1的能级会劈裂开。在零磁场下，待测自旋样品也具有如图的能级结构，在超精细相互作用下具有本征的低能级态与高能级态。在强磁场下，该能级结构会发生进一步的移动（能量差变大）。进行自旋态的调控时，对于金刚石固态自旋传感器的电子自旋，在零场下，ms=±1的态与ms=0的态，可以通过与他们能量差匹配的2.87GHz的共振微波进行调控，实现自旋态之间的调控。在强磁场下，对于ms=0到ms=+1，以及对于ms=0到ms=-1，可以分别用与能量差对应频率的微波脉冲1或2进行调控。对于待测样品自旋，在零磁场下，施加与低能级态与高能级态共振的射频脉冲可以进行调控。进行固态自旋传感器自旋状态的读出时，在长箭头所述光（例如为波长532nm的绿光）的作用下，基态会跃迁到激发态，由于激发态寿命短，会自发落回基态，同时发出荧光（波长637nm的红光）。由于自旋量子数ms=±1的激发态在落回基态时，有概率会经过一个中间态1A1（经过此中间态时，不会发出荧光），而自旋量子数ms=0的激发态落回基态时，通过Hahn-echo（动力学解耦序列）或者高阶动力学解耦技术，依次用微波调控金刚石固态自旋传感器，用射频调控待测自旋，并且保持实验序列对应时刻有脉冲强磁场。最终可以用荧光方式直接读出金刚石固态自旋传感器所处末态信息，间接计算相位累积。且仅当射频与待测自旋共振或者偏共振小时，该相位累积较大，因此可以实现强磁场下的待测自旋扫频谱线。
结合以上因素，本公开提出了一种基于量子精密测量的脉冲强场磁共振系统。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种脉冲强场磁共振系统，结合图2至图6所示，所述脉冲强场磁共振系统，包括：
固态自旋传感器A，承载待测样品S；
脉冲强磁场生成单元，用于为固态自旋传感器及其承载的待测样品提供局部均匀强磁场；
泵浦光单元，用于产生所需波长的泵浦光；
镜头9，用于将所述泵浦光聚焦至固态自旋传感器，从而产生荧光光子信号；
微波射频控制单元，连接至设置于固态自旋传感器附近的微波射频辐射线29，从而发出微波调控信号和射频调控信号，其中，所述微波调控信号用于调控所述固态自旋传感器的电子自旋(或电子自旋与核自旋)，所述射频调控信号用于调控待测样品的自旋，待测样品的自旋作用于固态自旋传感器的电子自旋，使得固态自旋传感器的电子自旋量子态累积相位，从而得到调控后的荧光光子信号；
信号收集单元，用于收集并处理调控后的荧光光子信号得到目标荧光光子信号；以及
信号处理单元，用于根据所述目标荧光光子信号得到待测样品的自旋信息。
在本公开实施例中，如图3所示，固态自旋传感器A为金刚石-氮空位色心固态自旋传感器或碳化硅色心固态自旋传感器，所述固态自旋传感器中的电子自旋深度为10~50nm。所述固态自旋传感器可以呈片状，设置于样品台10上。待测样品S可以是固体或者液体等状态的物质，放置于固态自旋传感器的表面，作为被测量对象。以金刚石-氮空位色心固态自旋传感器为例，金刚石其中的氮空位缺陷的电子自旋可以被用于探测表面样品的电子自旋与核自旋性质，在泵浦光、微波射频等共同操控下，可进行nm尺度的磁共振测量和科学研究。
样品台10例如可以设置于纳米位移台上，纳米位移台还可以用于准确控制显微镜头的移动，实现如扫描等各种功能。纳米位移台可以在控制下移动，对待测样品空间位置进行粗调，样品台10还可以根据实际的需要安装如温度探头，温度控制器，制冷器，用于稳定控制样品所处温度环境。
在本公开实施例中，镜头9为显微镜头，例如为高NA物镜镜头，用于聚焦泵浦光在固态自旋传感器处并可以收集固态自旋传感器发出的荧光信号。
在本公开实施例中，脉冲强磁场生成单元，用以产生微秒时长、百微米尺度、强度大于1T的均匀强磁场，如图3所示，所述脉冲强磁场生成单元：
微线圈28，为毫米尺度直径的金属线圈；以及
脉冲电流发生器27，能够产生微秒级时长、峰值电流千安级别）的脉冲电流作用于所述微线圈，从而产生脉冲强磁场，例如通过KA级别电流时可以产生10T量级强磁场区域，其为固态自旋传感器及其承载的待测样品提供了局部均匀强磁场。可以通过脉冲发生器控制脉冲电流发生器时序，得到任意序列的脉冲电流输出。
可选的，脉冲强磁场生成单元还包括制冷片，用于给微线圈提供降温，避免电流高热损坏。
可选的，脉冲强磁场生成单元还包括高斯计，用于测量所产生脉冲磁场的波形图。
根据本公开实施例，所述泵浦光单元包括：
至少一个激光器（例如图4中所示为2个激光器1），每个激光器均可以发射所需波长的激光光束；
声光调制器4，用于按设定序列脉冲控制激光光束，得到序列光束；
光纤耦合-准直系统，用于将自由空间的序列光束耦合入保偏光纤并出射准直光束；
带通滤光片7，用于对准直光束进行过滤得到泵浦光；以及
双色镜8，用于反射所述泵浦光至镜头9。
如图4中所示，所述激光器1发出的激光光束经圆形可调功率衰减片2，调节激光光束功率；圆形可调功率衰减片2为连续可变反射型中性密度（ND）滤光片。调节功率后的激光光束再经平面反射镜3调整方向后，输入至声光调制器4。
所述声光调制器4可以为晶体衍射型声光调制器，其可外接脉冲型号后触发作为开关。其中所述脉冲信号由脉冲发生器产生，所述脉冲发生器可以通过接收计算机控制信号产生所需序列脉冲，序列脉冲用以控制共振系统中各个部分的时序。
所述光纤耦合-准直系统包括：光纤耦合-合束器5和光纤准直器6。
所述带通滤光片7，用于滤除泵浦光路中其它波段可能存在的激发荧光，只保留激光器发出的波段附近的光。
可选的，泵浦光单元还可以包括可变扩束器，用于调节光束大小。
可选的，泵浦光单元还可以包括PBS（偏振分光棱镜），用于调控不同偏振光的反射与透射，连续经过声光调制器用于提高光强开关比。
可选的，泵浦光单元还可以包括适用确定波长光束的四分之一波片，用于将线偏振的激光光束变为圆偏振。
可选的，泵浦光单元还可以包括光纤合束器，用于将可能所需的不同波长的激光合束汇入一路，然后通过镜头9聚焦到固态量子自旋传感器处。
所述双色镜8用于反射泵浦光进入镜头，并且还用于滤除反射回来的泵浦光，透射荧光，将荧光光子信号输入信号收集单元。
综上，调节校准泵浦光单元时，将激光器1的出射光通过功率衰减片2调整到一个合适的功率，将其通过声光调制器4（可外接脉冲触发作为开关），通过给声光调制器4外加射频，可以改变晶体结构，使激光光束发生衍射，选取一级衍射光束作为开关后的光束。通过脉冲发生器的TTL（晶体管逻辑电平）触发可以作为施加射频的开关，所以最终TTL（晶体管逻辑电平）信号可以改变光束方向，实现了ns级别的脉冲光开关。将多路实验所需激光光束通过光纤耦合-合束器5。然后调节入射光，耦合器6出来的光经过滤波7，再通过双色镜8反射进入镜头9。
根据本公开实施例，如图4所示，所述信号收集单元包括：
CCD（charge coupled device）相机13，用于对荧光光子信号进行光学显示；
光路组件，用于滤除荧光光子信号中的干扰信号；以及
单光子计数器18，用于收集滤除干扰信号后的荧光信号。
光路组件用于将固态自旋传感器（金刚石-氮空位色心）产生的荧光信号与泵浦光等其他波长光信号分离，滤除干扰信号。
根据本公开实施例，如图4所示，所述光路组件包括依次设置的光束分束器11，消色差透镜14；Pinhole 15，消色差透镜一16、消色差透镜二17。其中， Pinhole（针孔）15用于对收集荧光进行空间滤波，滤除非焦点荧光信号以消除焦点模糊，实现空间精确成像。消色差透镜一16、消色差透镜二17位于Pinhole 15的两侧，能够先得到平行光束并再次聚焦后输入至单光子计数器18，单光子计数器18将收集的荧光信号发送至信号处理单元，再经过计算机处理成像以及读出计数。光束分束器11分束后的一路荧光信号先经过消色差凸透镜12后再传输至CCD相机13。
根据本公开实施例，结合图5和图6所示，所述微波射频控制单元包括：
微波模块，用于在设定序列脉冲触发下发出微波信号；
射频模块，用于再设定序列脉冲触发下发出射频信号；
合束器25，分别连接于所述微波模块和射频模块，用于将微波信号和射频信号进行合束得到微波射频信号；以及
功率放大器26，用于增益所述微波射频信号；用于增益微波射频信号，达到对于自旋比较强的操纵场，以更大的微波射频场对传感器和待测样品的自旋进行调控。
微波射频控制单元（或者说微波射频控制单元中的功率放大器）连接至微波射频辐射线29，从而发出微波调控信号和射频调控信号。
根据本公开实施例，微波模块包括：
微波波源19，可以对确定频率的目标自旋量子态进行调控；
功率分路器21，用于对单一波源输出信号分束，得到相干的两路微波信号，或者对不同微波射频线路的信号进行合束；例如选用九十度功分器，用于得到相位差90度的两路相干微波信号；
可调频移器22，用于调节特定频率的波形信号的相位；例如可以微调两路微波信号相位差；
开关23，可外接脉冲触发输出所需微波序列，用于在ns精度上对微波信号的波形信号切片，得到任意脉冲波形输出；
微波合束器24，用于将微波信号进行合束。
根据本公开实施例，射频模块包括：
射频波源20，用于发出射频信号；
开关23，可外接脉冲触发输出所需射频序列，用于在ns精度上对射频信号的波形信号切片，得到任意脉冲波形输出。
可选的，微波射频控制单元还可以包括DC-BLOCK（直流过滤器）用于滤除掉微波射频线路中的低频噪声；
可选的，微波射频控制单元还可以包括网络分析仪，用于测量微波射频线路中的传输曲线。
根据本公开实施例，如图7所示，通过脉冲序列发生器根据需要发出设定脉冲序列。拥有多个端口的脉冲触发输出，用于按照任意时间序列控制不同硬件配合工作。图中的高低表示了脉冲序列发生器输出的TTL信号的高低电平信号。用固态自旋传感器探测待测目标自旋过程的序列如图所示，首先泵浦光持续照射固态自旋传感器（如5us），进行自旋态的初始化；施加脉冲强磁场（如10us）；在脉冲强磁场存在的时间内，用微波和射频控制信号分别操控固态自旋传感器电子自旋与待测样品自旋，使得固态自旋传感器累积信号；打开泵浦光，并同时设置数采卡的读出窗口（数采卡读的是单光子探测器的电信号）。二者组合实现特定时间窗口下荧光信号的读出。
所述的信号处理单元包括：多功能输入输出设备卡，用于数字、模拟信号输入输出，包括了控制各类硬件以及从硬件中读取信号，如数字输入端口从单光子探测器中单位时间接收光子的上升沿信号数量，作为光子计数率；所述磁控振系统还包括计算机控制单元，包括：各类硬件控制程序，主要是labview以及其它可拓展程序，用于逻辑上统筹控制各部分硬件工作，并具有反馈调节功能。例如包括电脑与数据采集板卡（数采卡），主要包括如LabView，matlab等硬件控制软件与数据处理软件，能够协同实时控制所有硬件，级联完成物理操作；包括数据采集板卡，能接受发送数字或模拟信号，用于采集与反馈控制。
根据本公开实施例，脉冲强场磁共振系统工作时，利用泵浦光照射金刚石-氮空位固态自旋传感器，使得金刚石-氮空位固态自旋传感器电子的自旋状态初始化，并且辐射荧光信号；调节镜头使得光束聚焦到进行实验的金刚石-氮空位固态自旋传感器上，并以最大效率收集荧光信号；使微线圈靠近金刚石-氮空位固态自旋传感器，使用脉冲电流发生器输入确定大小长度的脉冲电流（例如1000A，50us），并根据磁线圈结构与脉冲电流大小计算出当前磁场强度；用脉冲序列发生器，控制激光光束、微波射频信号、脉冲电流、数据采集板卡等部分，按照一定序列输出脉冲触发给各个部分；在脉冲磁场持续时间内（以脉冲电流的平台区为准，如50us），进行金刚石-氮空位固态自旋传感器电子自旋，待测样品自旋的调控与所得到的荧光信号读出；重复多段脉冲磁场，通过信号处理单元将光子信号转变为计数；根据输入的脉冲序列，用计算机处理数据，得到强磁场下金刚石-氮空位固态自旋传感器电子的磁共振谱，传感器及待测样品自旋体系的磁共振谱等信息。
在脉冲电流的作用下，强磁场下的自旋体系信息可以被拆分至每个脉冲时间内，并且只在短脉冲时间内进行磁共振测量，以最高的效率利用了强磁场，通过降低电流脉冲占空比（以及调整相应的各个器件的脉冲序列）可以有效降低平均功率以及热效应，以获得更高磁场。并且由于金刚石-氮空位固态自旋传感器在可50nm探测范围内灵敏度非常高，磁场的空间不均匀性可以忽略不记，因此即使简单的磁线圈设计也能得到很高的磁共振谱线展宽。
本发明的优点在于使用金刚石-氮空位固态自旋传感器以高灵敏度得到待测样品的磁共振信息，由于金刚石-氮空位固态自旋传感器对空间不均匀要求很低，再加上脉冲电流技术，我们可以得到带宽很高的磁共振谱线。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开脉冲强场磁共振系统有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种脉冲强场磁共振系统，利用高集成度的小型化平台，能够实现高灵敏度的强场磁共振测量，样品量需求小，强磁场设备结构简单成本低。
还需要说明的是，以上为本公开提供的不同实施例。这些实施例是用于说明本公开的技术内容，而非用于限制本公开的权利保护范围。一实施例的一特征可通过合适的修饰、置换、组合、分离以应用于其他实施例。
应注意的是，在本文中，除了特别指明的之外，具备“一”元件不限于具备单一的该元件，而可具备一或更多的该元件。
此外，在本文中，除了特别指明的之外，“第一”、“第二”等序数，只是用于区别具有相同名称的多个元件，并不表示它们之间存在位阶、层级、执行顺序、或制程顺序。一“第一”元件与一“第二”元件可能一起出现在同一构件中，或分别出现在不同构件中。序数较大的一元件的存在不必然表示序数较小的另一元件的存在。
在本文中，除了特别指明的之外，所谓的特征甲“或”（or）或“及/或”（and/or）特征乙，是指甲单独存在、乙单独存在、或甲与乙同时存在；所谓的特征甲“及”（and）或“与”（and）或“且”（and）特征乙，是指甲与乙同时存在；所谓的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”，是指包括但不限于此。
此外，在本文中，所谓的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、或“之间”等用语，只是用于描述多个元件之间的相对位置，并在解释上可推广成包括平移、旋转、或镜像的情形。此外，在本文中，除了特别指明的之外，“一元件在另一元件上”或类似叙述不必然表示该元件接触该另一元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲强场磁共振系统，包括：
固态自旋传感器，承载待测样品；
脉冲强磁场生成单元，用于为固态自旋传感器及其承载的待测样品提供局部均匀强磁场；
泵浦光单元，用于产生所需波长的泵浦光；
镜头，用于将所述泵浦光聚焦至固态自旋传感器，从而产生荧光光子信号；
微波射频控制单元，连接至设置于固态自旋传感器附近的微波射频辐射线，从而发出微波调控信号和射频调控信号，其中，所述微波调控信号用于调控所述固态自旋传感器的电子自旋，所述射频调控信号用于调控待测样品的自旋，待测样品的自旋作用于固态自旋传感器的电子自旋，使得固态自旋传感器的电子自旋量子态累积相位，从而得到调控后的荧光光子信号；
信号收集单元，用于收集并处理调控后的荧光光子信号得到目标荧光光子信号；以及
信号处理单元，用于根据所述目标荧光光子信号得到待测样品的自旋信息。
2.根据权利要求1所述的脉冲强场磁共振系统，所述固态自旋传感器中的电子自旋深度为10~50nm。
3.根据权利要求2所述的脉冲强场磁共振系统，所述固态自旋传感器包括：金刚石-氮空位色心固态自旋传感器或碳化硅色心固态自旋传感器。
4.根据权利要求1所述的脉冲强场磁共振系统，所述脉冲强磁场生成单元，用以产生微秒时长、百微米尺度、强度大于1T的均匀强磁场，所述脉冲强磁场生成单元：
微线圈，为毫米尺度直径的金属线圈；以及
脉冲电流发生器，能够产生微秒级时长、峰值电流千安级别的脉冲电流作用于所述微线圈，从而产生强磁场。
5.根据权利要求1所述的脉冲强场磁共振系统，所述泵浦光单元包括：
至少一个激光器，每个激光器均可以发射所需波长的激光光束；
声光调制器，用于按设定序列脉冲控制激光光束，得到序列光束；
光纤耦合-准直系统，用于将自由空间的序列光束耦合入保偏光纤并出射准直光束；
带通滤光片，用于对准直光束进行过滤得到泵浦光；以及
双色镜，用于反射所述泵浦光至镜头。
6.根据权利要求5所述的脉冲强场磁共振系统，所述双色镜还用于透射荧光光子信号后使所述荧光光子信号进入信号收集单元。
7.根据权利要求1所述的脉冲强场磁共振系统，所述信号收集单元包括：
CCD相机，用于对荧光光子信号进行光学显示；
光路组件，用于滤除荧光光子信号中的干扰信号；以及
单光子计数器，用于收集滤除干扰信号后的荧光信号。
8.根据权利要求1所述的脉冲强场磁共振系统，所述微波射频控制单元包括：
微波模块，用于设定序列脉冲触发发出微波信号；
射频模块，用于设定序列脉冲触发发出射频信号；
合束器，分别连接于所述微波模块和射频模块，用于将微波信号和射频信号进行合束得到微波射频信号；以及
功率放大器，用于增益所述微波射频信号；
所述功率放大器连接至微波射频辐射线，从而发出微波调控信号和射频调控信号。
9.根据权利要求8所述的脉冲强场磁共振系统，其中：
所述微波模块包括：
微波波源，用于发出微波信号；
功率分路器，用于对微波信号分束，得到相干的两路微波信号；
可调频移器，用于调节两路微波信号相位差；
开关，外接脉冲序列触发输出所需波形的微波信号；以及
微波合束器，用于将两路微波信号进行合束；
所述射频模块包括：
射频波源，用于发出射频信号；以及
开关，外接脉冲序列触发输出所需波形的射频信号。
10.根据权利要求1所述的脉冲强场磁共振系统，还包括脉冲序列发生器，用于根据需要发出设定脉冲序列。
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