CN115128518A - 基于捷变频微波调制技术的nv色心高灵敏度差分磁采集系统 - Google Patents

基于捷变频微波调制技术的nv色心高灵敏度差分磁采集系统 Download PDF

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CN115128518A CN202210725617.4A CN202210725617A CN115128518A CN 115128518 A CN115128518 A CN 115128518A CN 202210725617 A CN202210725617 A CN 202210725617A CN 115128518 A CN115128518 A CN 115128518A
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Abstract

本发明公开了基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，包括磁信号标定模块、光学系统模块、信号处理模块、微波信号产生模块、信号控制模块。本发明的有益效果是：当对金刚石施加不同尺寸和方向的磁场时,双共振峰系统可以像单共振峰系统一样识别磁场的方向和大小，电压振幅的变化大约是单共振峰系统的两倍,其磁灵敏度和分辨率也提高了2倍；当金刚石表面温度发生变化时，ODMR信号曲线的零场分裂D发生变化，ODMR谱的两个对称共振峰向同一方向漂移，温度使NV色心产生的电压信号产生的变化量相同，在进行差分处理后，应用本系统对温度噪声有很强的抑制作用。

Description

基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统
技术领域
本发明涉及NV色心高灵敏度差分磁采集系统，具体为基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，属于量子传感技术领域。
背景技术
新型的磁性材料和磁检测器件源源不断。随着磁传感器与弱磁测量仪器的迅速发展，弱磁检测也得到了极大的发展。弱磁检测在科学研究、资源勘探、军事等领域具有广泛的应用，其中，军事领域的应用是推动弱磁检测的主要因素之一。其在军事领域的应用主要集中在未爆破物检测、战斗机与导弹导航、卫星导航等。因此，集成的金刚石NV传感器方案对我国国防建设等领域的发展具有重要意义。
近年来，量子精密测量技术发展迅速，金刚石中的原子尺度缺陷氮空位(NV)中心无疑是最具影响力的代表之一。由于其在室温下的自旋寿命长、相干微波(MW)自旋操纵、光学自旋态初始化和读出和良好的生物相容性，基于NV中心的传感器具有广泛的实际应用。基于NV系综在外加磁场下的塞曼分裂,再根据NV色心的基态哈密顿量本证方程,可以实现微弱磁场得高精度检测。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，其实验平台包括
磁信号标定模块，其包括用于施加偏置磁场的磁线圈；
光学系统模块，其包括含有NV色心的金刚石样品、用于发射激光的激光器、允许特定范围波长光通过的带通滤波片、可产生双向光路的二向色镜、用于接收荧光信号的光电探测器，所述金刚石样品固定在微波天线上，所述激光器发射的激光照射在二向色镜上，所述金刚石样品设置在二向色镜的一侧，所述光电探测器设置在二向色镜的另一侧；
信号处理模块，其包括用于对光电探测器所接收的光电信号进行放大处理的锁相放大器；
微波信号产生模块，其包括用于对金刚石样品产生微波信号的微波信号源；
信号控制模块，其包括用于对所述微波信号源进行控制的FPGA模块；
数据采集模块，其通过FPGA模块11对数据进行采集。
作为本发明再进一步的方案：所述金刚石样品与二向色镜之间设置有物镜一，所述二向色镜与光电探测器之间设置有物镜二。
作为本发明再进一步的方案：所述二向色镜与光电探测器之间还设置有靠近二向色镜侧的滤光片。
基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，该系统包括以下步骤：
步骤一、搭建实验平台，并开启微波信号源和激光器，使用FPGA模块控制微波信号源产生扫频信号；
步骤二、调整示波器，在示波器上观察到ODMR信号，找到ODMR半高全宽对应的微波频率大小FP1、FP2；
步骤三、使用FPGA模块11控制微波信号源12产生调频信号，在调频基础上控制微波信号源12在FP1-FP2二者快速变频；
步骤四、被调制后的高频ODMR信号在锁相放大器10内混频成对磁敏感的直流信号，并由光电探测器进行接收；
步骤五、按时序控制微波信号源变频频率和FPGA采集通断以及采集数据存储的地址区域；
步骤六、改变磁场大小获得多组数据，并由PC机处理输出数据并得到最终结果。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤四中，光电探测器所接收的荧光信号转化为微弱的电信号通过数据线连接示波器。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤四中，光电探测器输出的电压信号输入锁相放大器内，所述锁相放大器内部集成有放大、混频、滤波等电路。
作为本发明再进一步的方案：所述锁相放大器输出端口为两个，其中一个端口输出解调后的信号的实部(Vi)，另一个端口输出解调后的信号的虚部(Vj)，然后两路信号输入至FPGA模块中进行处理。
作为本发明再进一步的方案：所述步骤三中，FPGA控制微波信号源产生变频微波信号，具体包括：
①FPGA首先控制微波源产生两个谐振频率FP1和FP2；
②在EA检测到上升沿信号(0→1)后，FPGA的时钟信号CLK开始产生方波信号(周期为2ms，占空比50％)，微波源在CLK为高电平时在谐振频率在FP1并围绕FP1产生调制信号；
③在CLK为低电平时处于谐振频率FP2并围绕FP2产生调制信号；
④DAT波是控制FPGA对信号进行采集的，当DAT为低电平时，FPGA不采集信号，当DAT为高电平且CLK为高电平时，代表此时为奇数ms，FPGA将两路采集通道采集到的数据数据存到奇数ms对应的存储地址中，当DAT为高电平，CLK为低电平时，代表此时为偶数ms，FPGA将两路采集通道采集到的数据数据存到偶数ms对应的存储地址中；
⑤当FPGA检测到EA信号产生下降沿后，FPGA停止产生时钟信号，微波源停止工作，调制信号的振幅和相位由主机控制系统进行调整。
所述步骤六中，对于数据的处理，具体包括：
应用FPGA将采集到的两路电压信号(Vi和Vj)的奇数个毫秒的数据放置为一组(Vi1，Vj1)，偶数个毫秒的数据放置在一组(Vi2，Vj2)；然后分别求解奇数组信号(V1)和偶数组信号(V2)的幅值大小，在使用FPGA对两组信号进行差分运算，最终得到一组对磁信号敏感的电压数据(Vx)，然后将其传输到PC机中进行噪声谱的检测，PC机基于信噪比分析的磁力计灵敏度分析算法，将采集到的数据进行解算。
本发明的有益效果是：
1、当对金刚石施加不同尺寸和方向的磁场时,双共振峰系统可以像单共振峰系统一样识别磁场的方向和大小，电压振幅的变化大约是单共振峰系统的两倍,其磁灵敏度和分辨率也提高了2倍；
2、当金刚石表面温度发生变化时，ODMR信号曲线的零场分裂D发生变化，ODMR谱的两个对称共振峰向同一方向漂移。温度使NV色心产生的电压信号(V1和V2)产生的变化量相同，在进行差分处理后，应用本系统对温度噪声有很强的抑制作用。
附图说明
图1为本发明模块构成结构示意图；
图2为本发明系统流程示意图；
图3为本发明ODMR信号示意图；
图4为本发明奇数ms和偶数ms采集数据存放示意图；
图5为本发明FPGA时序示意图。
图中：1、磁线圈，2、金刚石样品，3、微波天线，4、物镜一，5、激光器，6、二向色镜，7、滤光片，8、物镜二，9、光电探测器，10、锁相放大器，11、FPGA模块，12、微波信号源。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，其实验平台包括
磁信号标定模块，其包括用于施加偏置磁场的磁线圈1；
光学系统模块，其包括含有NV色心的金刚石样品2、用于发射激光的激光器5、允许特定范围波长光通过的带通滤波片、可产生双向光路的二向色镜6、用于接收荧光信号的光电探测器9，所述金刚石样品2固定在微波天线3上，所述激光器5发射的激光照射在二向色镜6上，所述金刚石样品2设置在二向色镜6的一侧，所述光电探测器9设置在二向色镜6的另一侧；
信号处理模块，其包括用于对光电探测器9所接收的光电信号进行放大处理的锁相放大器10；
微波信号产生模块，其包括用于对金刚石样品2产生微波信号的微波信号源12；
信号控制模块，其包括用于对所述微波信号源12进行控制的FPGA模块11；
数据采集模块，其通过FPGA模块11对数据进行采集。
在本发明实施例中，所述金刚石样品2与二向色镜6之间设置有物镜一4，所述二向色镜6与光电探测器9之间设置有物镜二8，以使金刚石样品2反射的红色荧光转化为准直光线，进而便于被光电探测器9接收。
在本发明实施例中，所述二向色镜6与光电探测器9之间还设置有靠近二向色镜6侧的滤光片7，使产生的无用绿色激光被滤除，进而确保光电探测器9只接收有用的光电信号。
实施例二
如图2至图5所示，基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，该系统包括以下步骤：
步骤一、搭建实验平台，并开启微波信号源12和激光器5，使用FPGA模块11控制微波信号源12产生扫频信号；
步骤二、调整示波器，在示波器上观察到ODMR信号，找到ODMR半高全宽对应的微波频率大小FP1、FP2；
步骤三、使用FPGA模块11控制微波信号源12产生调频信号，在调频基础上控制微波信号源12在FP1-FP2二者快速变频；
步骤四、被调制后的高频ODMR信号在锁相放大器10内混频成对磁敏感的直流信号，并由光电探测器9进行接收；
步骤五、按时序控制微波信号源12变频频率和FPGA采集通断以及采集数据存储的地址区域；
步骤六、改变磁场大小获得多组数据，并由PC机处理输出数据并得到最终结果。
在本发明实施例中，所述步骤四中，光电探测器9所接收的荧光信号转化为微弱的电信号通过数据线连接示波器，以观察金刚石荧光信号产生的ODMR信号，在此信号中观察ODMR曲线半高全宽处对应的谐振频率点的大小。
在本发明实施例中，所述步骤四中，光电探测器9输出的电压信号输入锁相放大器10内，所述锁相放大器10内部集成有放大、混频、滤波等电路，可以实现信号的解调，有效的降低信号的外加噪音。
在本发明实施例中，所述锁相放大器10输出端口为两个，其中一个端口输出解调后的信号的实部(Vi)，另一个端口输出解调后的信号的虚部(Vj)，然后两路信号输入至FPGA模块11中进行处理。
在本发明实施例中，所述步骤三中，FPGA控制微波信号源12产生变频微波信号，具体包括：
①FPGA首先控制微波源产生两个谐振频率FP1和FP2；
②在EA检测到上升沿信号(0→1)后，FPGA的时钟信号CLK开始产生方波信号(周期为2ms，占空比50％)，微波源在CLK为高电平时在谐振频率在FP1并围绕FP1产生调制信号；
③在CLK为低电平时处于谐振频率FP2并围绕FP2产生调制信号；
④DAT波是控制FPGA对信号进行采集的，当DAT为低电平时，FPGA不采集信号，当DAT为高电平且CLK为高电平时，代表此时为奇数ms，FPGA将两路采集通道采集到的数据数据存到奇数ms对应的存储地址中，当DAT为高电平，CLK为低电平时，代表此时为偶数ms，FPGA将两路采集通道采集到的数据数据存到偶数ms对应的存储地址中；
⑤当FPGA检测到EA信号产生下降沿后，FPGA停止产生时钟信号，微波源停止工作，调制信号的振幅和相位由主机控制系统进行调整。
在本发明实施例中，所述步骤六中，对于数据的处理，具体包括：
应用FPGA将采集到的两路电压信号(Vi和Vj)的奇数个毫秒的数据放置为一组(Vi1，Vj1)，偶数个毫秒的数据放置在一组(Vi2，Vj2)；然后分别求解奇数组信号(V1)和偶数组信号(V2)的幅值大小，在使用FPGA对两组信号进行差分运算，最终得到一组对磁信号敏感的电压数据(Vx)，然后将其传输到PC机中进行噪声谱的检测，PC机基于信噪比分析的磁力计灵敏度分析算法，将采集到的数据进行解算。
工作原理：将金刚石NV色心产生的荧光信号通过光电探测器转化为电压信号后，通过完成对信号的差分处理，实现热噪声的抑制作用，并提高磁信号的灵敏度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，其特征在于：其实验平台包括
磁信号标定模块，其包括用于施加偏置磁场的磁线圈(1)；
光学系统模块，其包括含有NV色心的金刚石样品(2)、用于发射激光的激光器(5)、允许特定范围波长光通过的带通滤波片、可产生双向光路的二向色镜(6)、用于接收荧光信号的光电探测器(9)，所述金刚石样品(2)固定在微波天线(3)上，所述激光器(5)发射的激光照射在二向色镜(6)上，所述金刚石样品(2)设置在二向色镜(6)的一侧，所述光电探测器(9)设置在二向色镜(6)的另一侧；
信号处理模块，其包括用于对光电探测器(9)所接收的光电信号进行放大处理的锁相放大器(10)；
微波信号产生模块，其包括用于对金刚石样品(2)产生微波信号的微波信号源(12)；
信号控制模块，其包括用于对所述微波信号源(12)进行控制的FPGA模块(11)；
数据采集模块，其通过FPGA模块11对数据进行采集。
2.根据权利要求1所述的基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，其特征在于：所述金刚石样品(2)与二向色镜(6)之间设置有物镜一(4)，所述二向色镜(6)与光电探测器(9)之间设置有物镜二(8)。
3.根据权利要求1所述的基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，其特征在于：所述二向色镜(6)与光电探测器(9)之间还设置有靠近二向色镜(6)侧的滤光片(7)。
4.基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，其特征在于：该系统包括以下步骤：
步骤一、搭建实验平台，并开启微波信号源(12)和激光器(5)，使用FPGA模块(11)控制微波信号源(12)产生扫频信号；
步骤二、调整示波器，在示波器上观察到ODMR信号，找到ODMR半高全宽对应的微波频率大小FP1、FP2；
步骤三、使用FPGA模块(11)控制微波信号源(12)产生调频信号，在调频基础上控制微波信号源(12)在FP1-FP2二者快速变频；
步骤四、被调制后的高频ODMR信号在锁相放大器(10)内混频成对磁敏感的直流信号，并由光电探测器(9)进行接收；
步骤五、按时序控制微波信号源(12)变频频率和FPGA采集通断以及采集数据存储的地址区域；
步骤六、改变磁场大小获得多组数据，并由PC机处理输出数据并得到最终结果。
5.根据权利要求4所述的基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，其特征在于：所述步骤四中，光电探测器(9)所接收的荧光信号转化为微弱的电信号通过数据线连接示波器。
6.根据权利要求4所述的基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，其特征在于：所述步骤四中，光电探测器(9)输出的电压信号输入锁相放大器(10)内，所述锁相放大器(10)内部集成有放大、混频、滤波等电路。
7.根据权利要求4所述的基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，其特征在于：所述锁相放大器(10)输出端口为两个，其中一个端口输出解调后的信号的实部(Vi)，另一个端口输出解调后的信号的虚部(Vj)，然后两路信号输入至FPGA模块(11)中进行处理。
8.根据权利要求4所述的基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，其特征在于：所述步骤三中，FPGA控制微波信号源(12)产生变频微波信号，具体包括：
①FPGA首先控制微波源产生两个谐振频率FP1和FP2；
②在EA检测到上升沿信号(0→1)后，FPGA的时钟信号CLK开始产生方波信号(周期为2ms，占空比50％)，微波源在CLK为高电平时在谐振频率在FP1并围绕FP1产生调制信号；
③在CLK为低电平时处于谐振频率FP2并围绕FP2产生调制信号；
④DAT波是控制FPGA对信号进行采集的，当DAT为低电平时，FPGA不采集信号，当DAT为高电平且CLK为高电平时，代表此时为奇数ms，FPGA将两路采集通道采集到的数据数据存到奇数ms对应的存储地址中，当DAT为高电平，CLK为低电平时，代表此时为偶数ms，FPGA将两路采集通道采集到的数据数据存到偶数ms对应的存储地址中；
⑤当FPGA检测到EA信号产生下降沿后，FPGA停止产生时钟信号，微波源停止工作，调制信号的振幅和相位由主机控制系统进行调整。
9.根据权利要求4所述的基于捷变频微波调制技术的NV色心高灵敏度差分磁采集系统，其特征在于：所述步骤六中，对于数据的处理，具体包括：
应用FPGA将采集到的两路电压信号(Vi和Vj)的奇数个毫秒的数据放置为一组(Vi1，Vj1)，偶数个毫秒的数据放置在一组(Vi2，Vj2)；然后分别求解奇数组信号(V1)和偶数组信号(V2)的幅值大小，在使用FPGA对两组信号进行差分运算，最终得到一组对磁信号敏感的电压数据(Vx)，然后将其传输到PC机中进行噪声谱的检测，PC机基于信噪比分析的磁力计灵敏度分析算法，将采集到的数据进行解算。
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