CN115656894A

CN115656894A - 一种光纤集成金刚石nv色心的磁场传感器

Info

Publication number: CN115656894A
Application number: CN202211322873.5A
Authority: CN
Inventors: 秦一凡; 张旻阳; 张羽; 金威; 牟金华; 刘佳鑫; 刘志海; 苑立波
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2022-10-27
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2023-01-31

Abstract

本发明属于光纤传感器技术领域，公开了一种光纤集成金刚石NV色心的磁场传感器包括激光器光源、磁场光纤传感机构、偏置永磁铁、微波波导机构、第一数据处理机构以及第二数据处理机构；激光器光源通过第一尾纤和环形器与磁场光纤传感机构的一侧相连接，激发磁场光纤传感机构发出荧光，环形器与第一数据处理机构相连接，磁场光纤传感机构的另一侧与第二数据处理机构相连接，荧光分别以耦合的方式进入第一数据处理机构和第二数据处理机构。

Description

一种光纤集成金刚石NV色心的磁场传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其是涉及一种光纤集成金刚石NV色心的磁场传感器。

背景技术

磁现象是被人类最早认知的物理现象之一，早在几千年前中国古人就用天然磁石制成了司南实现了对磁场的基本的应用并因此促进了地理和海上贸易的发展，历史上对磁场应用的探索也极大的促进了人类文明的进步，如今与磁场相关的应用也对保障我们生产生活的正常进行做出了巨大的贡献，在生物医疗、地理测绘和驾驶导航等领域中都有着重要的应用。由此可见磁场的测量具有广阔的应用前景，磁场的测量技术也随着科技的进步而不断发展。光探测磁共振(Optically detected magnetic resonance，ODMR)技术是一种新的磁场测量方法，其对磁场进行测量的原理是一边对NV色心进行激光泵浦和微波扫频的自旋调控，一边测量NV色心发出荧光强度随微波频率改变而变化的光探测磁共振谱，其上会出现因微波频率满足NV色心不同自旋态间的能级差而出现发出荧光强度下降的凹陷。在没有外部磁场的情况下凹陷只有一个，而在有外部磁场的情况下，简并的能级会因为塞曼效应而发生劈裂导致凹陷的数目从一个变为两个，根据两个凹陷间微波频率的差值解哈密顿量方程，即可得到磁场的大小，与传统磁场测量方法相比这种方法测量磁场大小的灵敏度能够提高两个数量级。

现有的磁场传感器灵敏度低，不能满足相关技术检测的需要。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种光纤集成金刚石NV色心的磁场传感器，包括激光器光源、磁场光纤传感机构、偏置永磁铁、微波波导机构、第一数据处理机构以及第二数据处理机构；

激光器光源通过第一尾纤和环形器与磁场光纤传感机构的一侧相连接，激发磁场光纤传感机构发出荧光，环形器与第一数据处理机构相连接，磁场光纤传感机构的另一侧与第二数据处理机构相连接，荧光分别以耦合的方式进入第一数据处理机构和第二数据处理机构。

优选的，磁场光纤传感机构包括金刚石片以及设置在金刚石片两侧的单模光纤，其中一个单模光纤与环形器相连接。

优选的，第一数据处理机构包括依次连接的第三尾纤、第一光纤滤波器、第二尾纤以及第一数据处理模块，第三尾纤与环形器相连接。

优选的，第二数据处理机构包括依次连接的第二光纤滤波器、第四尾纤以及第二数据处理模块，第二光纤滤波器与另一单模光纤相连接。

优选的，偏置永磁铁设置有两个，两个偏置永磁铁分别设置在金刚石片的上下两侧。

优选的，微波波导机构包括微波波导和微波源，微波源与微波波导相连接，微波波导采用铜线，铜线绕设在金刚石片上。

优选的，第一数据处理模块和第二数据处理模块均包括偏压控制电路、雪崩光电二极管、放大电路、滤波电路以及转换电路，偏压控制电路与雪崩光电二极管相连接，雪崩光电二极管用于接收荧光信号，雪崩光电二极管、放大电路、滤波电路以及转换电路依次连接。

因此，本发明具有以下有益效果：

(1)以光纤传输激光到金刚石片并以光纤接收金刚石片中NV色心发出的荧光，激光能够以耦合的方式进入到金刚石片中，荧光也能以耦合的方式进入到光纤中，提高了激光的传输效率和荧光的接收效率，使得传感器测量磁场的灵敏度提高。

(2)通过在金刚石片两面各粘贴一根单模光纤来对金刚石片进行固定，通过将铜线作为微波波导并缠绕在金刚石片上实现了将微波源发出的微波传输到金刚石片附近的功能，传感器中光纤和铜线的大量应用大大缩小了传感器的体积。

(3)将一对偏置永磁铁在金刚石片上下两边对称放置的方案，来对金刚石片中的NV色心施加偏置磁场以消除金刚石晶体内部应力对NV色心的影响，进一步地提高磁场检测灵敏度。

(4)采用第一数据处理模块和第二数据处理模块来接收NV色心发出的荧光，第一数据处理模块和第二数据处理模块中的雪崩光电二极管的偏压由偏压控制电路控制，可以通过改变雪崩光电二极管的偏压大小来消除环境温度改变对增益大小的影响，放大电路将雪崩光电二极管输出的不易检测的弱光电流放大成易于检测的强光电流，滤波电路则会将放大电路输出的强光电流中的各种实验噪声滤除以提高光电流的信噪比，电流转电压电路会将不易检测的电流信号转换为易于检测的电压信号。最终能将NV色心发出的不易检测弱荧光转化为易于检测的具有高信噪比的强光电压，进一步提高磁场检测灵敏度。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为一种光纤集成金刚石NV色心的磁场传感器的结构图；

图2为本发明带有NV色心的金刚石片被激光激发并发出荧光的示意图；

图3为本发明磁场光纤传感机构的结构图；

图4为本发明第一数据处理模块的结构图。

附图标记

1、激光器光源；2、第一尾纤；3、环形器；4、磁场光纤传感机构；41、金刚石片；42、单模光纤；5、偏置永磁铁；6、第二光纤滤波器；7、第四尾纤；8、第二数据处理模块；9、微波波导；10、微波源；11、第一数据处理模块；12、第二尾纤；13、第一光纤滤波器；14、第三尾纤；15、激光；16、荧光；17、微波。

具体实施方式

实施例

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的实施方式作详细说明。

参考图1，一种光纤集成金刚石NV色心的磁场传感器,包括激光器光源1、磁场光纤传感机构4、偏置永磁铁5、微波波导机构、第一数据处理机构以及第二数据处理机构。

具体部件结构如下：

磁场光纤传感机构4包括金刚石片41以及设置在金刚石片41两侧的单模光纤42。选取一块厚约500μm面积约为1mm²的金刚石片41，选取两根长约40cm的单模光纤42，将这两根单模光纤42两端3cm长的涂覆层去除，用光纤切割刀将这两根单模光纤42的两端切除一部分来使光纤端面平整。将高折射率粘合剂均匀地涂抹在金刚石片41的两面，并将两根单模光纤42对称粘贴在金刚石片41的两面，待粘合剂凝固后就完成对了磁场光纤传感机构4的制作。两根单模光纤42的另外两端连接有光纤活接头。

微波波导机构包括微波波导9和微波源10，微波源10与微波波导9相连接，微波波导9采用铜线，铜线绕设在金刚石片41上。选取一段长约10cm粗为0.5mm的铜线作为微波波导9，将微波波导9在金刚石片41上均匀缠绕10圈。

激光器光源1通过第一尾纤2和环形器3与磁场光纤传感机构4的其中一个单模光纤42相连接，用于激发金刚石片41发出荧光。将荧光以耦合的方式进入第一数据处理机构，第一数据处理机构包括依次连接的第三尾纤14、第一光纤滤波器13、第二尾纤12以及第一数据处理模块11，第三尾纤14与环形器3相连接。磁场光纤传感机构4的另一侧与第二数据处理机构相连接，第二数据处理机构包括依次连接的第二光纤滤波器6、第四尾纤7以及第二数据处理模块8，第二光纤滤波器6与另一单模光纤42相连接。荧光分别以耦合的方式进入第一数据处理机构和第二数据处理机构。第一数据处理模块11和第二数据处理模块8均包括偏压控制电路、雪崩光电二极管、放大电路、滤波电路以及转换电路，偏压控制电路与雪崩光电二极管相连接，雪崩光电二极管用于接收荧光信号，雪崩光电二极管、放大电路、滤波电路以及转换电路依次连接。雪崩光电二极管(AvalanchePhotonDiode，APD)是一种PN结型的光检测二极管，它可以利用PN结在较大的反向偏压下产生的雪崩倍增效益去放大光电信号来获得较高的光检测灵敏度。典型的雪崩光电二极管一般具有P+、I、P和N+这四层结构，其中P+层和N+层是重掺杂区并接有电极，I层是漂移区，P层是倍增区。雪崩光电二极管在工作时光子会从P+层射入，然后会进入到I层中被吸收并产生电子-空穴对，产生的电子-空穴对会在反向偏压的加速作用下向着P层运动，当电子-空穴对运动到P层时会具有很高的动能并与P层的晶格原子发生碰撞，使晶格原子发生电离并产生新的电子-空穴对，而新产生的电子-空穴对又会在反向偏压的加速作用获得很高的动能接着又会与晶格原子发生碰撞并使其发生电离并产生新的电子-空穴对，此过程是如同雪崩一般会不断重复的连锁反应。在工作中因电离而产生的的载流子的数目会远远大于因光子吸收而产生的载流子的数目，最终使得光生载流子的数目得到几百倍的雪崩式倍增。将雪崩光电二极管应用于光探测磁共振技术中就可以将NV色心发出的不易探测的荧光转换为易于探测的被放大过的光生电流，再经过放大电路对电流的进一步放大和滤波电路对实验噪声的滤除可以使传感器的灵敏度进一步提高。

偏置永磁铁5设置有两个，两个偏置永磁铁5分别设置在金刚石片41的上下两侧。激光器光源1发出的激光通过单模光纤42传输耦合进金刚石片41中的NV色心，使得金刚石片41中的NV色心被激发并发出荧光，荧光以耦合的方式进入到金刚石片41两边的单模光纤42中进行传输，最后分别被第一数据处理模块11和第二数据处理模块8接收。在无外部磁场存在的情况下，NV色心的|m_s＝±1>态是简并的，NV色心在连续的激光和微波的自旋调控下所发出荧光的光探测磁共振谱上会出现一个的凹陷，在有外部磁场存在的情况下，NV色心的|m_s＝±1>态会由于塞曼效应而发生劈裂，NV色心在连续的激光和微波的自旋调控下所发出荧光的光探测磁共振谱上会出现关于前一个凹陷对称的两个凹陷，根据两个凹陷间微波频率的差值解哈密顿量方程，即可得到传感器处的磁场大小。

打开激光器光源1和微波源10，在对磁场光纤传感机构4进行微波扫频的同时通过第一数据处理模块11和第二数据处理模块8接收带有NV色心的金刚石片41发出的荧光。第一数据处理模块11的结构如图4所示，第二数据处理模块8与第一数据处理模型结构相同，通过将雪崩光电二极管、偏压控制电路、放大电路、滤波电路和转换电路焊接在PCB板上，并连接数据采集卡来实现，转换电路为电流转电压电路。经过处理的电压信号通过数据采集卡被计算机所接收，并将其转换绘制成光探测磁共振谱，根据得到的光探测磁共振谱上两个凹陷间微波频率的差值解哈密顿量方程，即可得到传感器处的磁场大小。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种光纤集成金刚石NV色心的磁场传感器，其特征在于：包括激光器光源、磁场光纤传感机构、偏置永磁铁、微波波导机构、第一数据处理机构以及第二数据处理机构；

2.根据权利要求1的一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，其特征在于：磁场光纤传感机构包括金刚石片以及设置在金刚石片两侧的单模光纤，其中一个单模光纤与环形器相连接。

3.根据权利要求2的一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，其特征在于：第一数据处理机构包括依次连接的第三尾纤、第一光纤滤波器、第二尾纤以及第一数据处理模块，第三尾纤与环形器相连接。

4.根据权利要求3的一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，其特征在于：第二数据处理机构包括依次连接的第二光纤滤波器、第四尾纤以及第二数据处理模块，第二光纤滤波器与另一单模光纤相连接。

5.根据权利要求4的一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，其特征在于：偏置永磁铁设置有两个，两个偏置永磁铁分别设置在金刚石片的上下两侧。

6.根据权利要求5的一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，其特征在于：微波波导机构包括微波波导和微波源，微波源与微波波导相连接，微波波导采用铜线，铜线绕设在金刚石片上。

7.根据权利要求6的一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，其特征在于：第一数据处理模块和第二数据处理模块均包括偏压控制电路、雪崩光电二极管、放大电路、滤波电路以及转换电路，偏压控制电路与雪崩光电二极管相连接，雪崩光电二极管用于接收荧光信号，雪崩光电二极管、放大电路、滤波电路以及转换电路依次连接。