CN116106797B

CN116106797B - 金刚石nv色心磁探测装置

Info

Publication number: CN116106797B
Application number: CN202310407426.8A
Authority: CN
Inventors: 高学栋; 孙方稳; 陈向东; 张少春; 董杨; 林豪彬
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2023-04-17
Filing date: 2023-04-17
Publication date: 2023-08-22
Anticipated expiration: 2043-04-17
Also published as: CN116106797A

Abstract

本发明提供一种金刚石NV色心磁探测装置，包括：金刚石NV色心；至少一对磁通量汇集器，至少一对磁通量汇集器的顶点临近设置以将待测磁场汇聚至顶点，金刚石NV色心设置在至少一对磁通量汇集器的顶点之间；光源模块适用于产生激光；透射反射器适用于将来自于光源模块的一部分激光朝向金刚石NV色心反射，使得金刚石NV色心激发荧光；荧光接收模块包括荧光探测器，荧光探测器适用于基于荧光产生荧光信号；微波调制模块适用于通过改变参考信号朝向金刚石NV色心发射调制微波，使得金刚石NV色心激发出调制荧光，使得荧光接收模块得到调制荧光信号；锁相处理模块，适用于基于参考信号和调制荧光信号得到待测磁场的强度。

Description

金刚石NV色心磁探测装置

技术领域

本发明涉及金刚石色心量子传感技术领域，更具体地，涉及一种金刚石NV色心磁探测装置。

背景技术

金刚石NV色心是一个具有各种优良性质的固态单自旋量子的体系，与其他材料相比，金刚石具有优异的物理化学稳定性，可适应各种极端环境。基于金刚石NV色心磁场测量技术通常使用纯金刚石NV色心测量，这种方法的灵敏度有限在几十pT/Hz^1/2水平，且需要C¹²H₄纯化金刚石材料样品，C¹²纯化的甲烷成本通常为未纯化甲烷成本的几千到几万倍，造成极高的材料成本。

目前基于磁通量聚集器的金刚石NV色心磁力探测技术可实现fT/Hz^1/2量级的磁场测量灵敏度，同时可实现较大的探测带宽。但目前基于磁通量聚集器体系仍然停留在磁力测量系统方面，探测灵敏度仍然不足。

发明内容

为解决现有技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本发明实施例提供一种金刚石NV色心磁探测装置，通过利用调制微波使得金刚石NV色心激发出调制荧光，能够提高探测灵敏度。

本发明的实施例提供了一种金刚石NV色心磁探测装置，包括：金刚石NV色心；至少一对磁通量汇集器，至少一对上述磁通量汇集器的顶点临近设置以将待测磁场汇聚至上述顶点，上述金刚石NV色心设置在至少一对上述磁通量汇集器的上述顶点之间；光源模块，适用于产生激光；透射反射器，适用于将来自于上述光源模块的一部分激光朝向上述金刚石NV色心反射，使得上述金刚石NV色心激发荧光；荧光接收模块，包括荧光探测器，上述荧光探测器适用于基于上述荧光产生荧光信号；微波调制模块，适用于通过改变参考信号朝向上述金刚石NV色心发射调制微波，使得上述金刚石NV色心激发出调制荧光，使得上述荧光接收模块得到调制荧光信号；以及锁相处理模块，适用于基于上述参考信号和上述调制荧光信号得到上述待测磁场的强度。

可选地，上述金刚石NV色心磁探测装置还包括差分探测器，适用于基于从上述透射反射器透射的上述光源模块的另一部分激光产生差分信号，上述锁相处理模块进一步适用于基于上述差分信号、上述参考信号和上述调制荧光信号得到上述待测磁场的强度。

可选地，上述锁相处理模块包括：差分处理模块，适用于基于上述差分信号滤除上述调制荧光信号中的噪声并得到探测信号，使得上述探测信号和上述参考信号的电压值相等；以及测量模块，适用于基于上述探测信号和上述参考信号测量得到上述待测磁场的强度。

可选地，上述光源模块包括：激光二极管，适用于发射上述激光；第一聚集镜片，适用于接收并聚集上述激光。

可选地，上述荧光接收模块还包括：第二聚集镜片，适用于聚集经上述透射反射器反射的激光并出射到上述金刚石NV色心上；第三聚集镜片，适用于聚集来自于上述激光经上述金刚石NV色心的与接收上述激光的一侧相对的第二侧激发的荧光，得到第一路荧光；以及滤光片，适用于对上述第一路荧光进行过滤，并将过滤的上述第一路荧光发射到上述荧光探测器。

可选地，上述荧光接收模块还包括：第一反射单元，适用于接收来自于上述激光经上述金刚石NV色心的与接收上述激光的一侧相交的第三侧激发的第二路荧光，并将上述第二路荧光反射到上述滤光片；第二反射单元，适用于接收来自于上述激光经上述金刚石NV色心的与接收上述激光的一侧相交的第四侧激发的第三路荧光，并将上述第三路荧光反射到上述滤光片。

可选地，上述微波调制模块包括：微波发生器，适用于基于上述参考信号产生上述调制微波，上述调制微波的频率与上述参考信号的频率一致；以及微波天线，适用于将上述调制微波传输到上述金刚石NV色心上，使得上述金刚石NV色心基于上述调制微波产生上述调制荧光。

可选地，上述金刚石NV色心位于两个上述磁通量汇集器的上述顶点之间，两个上述磁通量汇集器的上述顶点相对设置。

可选地，上述磁通量汇集器由坡莫合金材料制成，上述调制微波的频率为2.87GHz，上述调制荧光信号的频率为10kHz。

可选地，上述磁通量汇集器由铁氧体材料制成，上述调制微波的频率为2.87GHz，上述调制荧光信号的频率为100kHz。

根据本发明实施例的一种金刚石NV色心磁探测装置，利用光源模块产生激光，通过荧光接收模块接收金刚石NV色心经激光激发的荧光得到荧光信号，再利用微波调制模块发射的调制微波使得金刚石NV色心激发出调制荧光，荧光接收模块得到调制荧光信号，锁相处理模块根据微波调制模块的参考信号和调制荧光信号得到待测磁场的强度，提高了探测灵敏度。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施例的金刚石NV色心磁探测装置的剖面的主视图；

图2是根据本发明的一种实施例的金刚石NV色心磁探测装置的俯视图；

图3是根据本发明的一种实施例的金刚石NV色心磁探测装置的灵敏度测试图。

所述附图中，附图标记含义具体如下：

1、金刚石NV色心；

2、磁通量汇集器；

3、透射反射器；

4、荧光探测器；

5、微波调制模块；

6、锁相处理模块；

7、差分探测器；

8、激光二极管；

9、第一聚集镜片；

10、第二聚集镜片；

11、第三聚集镜片；

12、滤光片；

13、第四聚集镜片；

14、第一反射镜；

15、第二反射镜；

16、第五聚集镜片；

17、微波天线；

18、壳体。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大，自始至终相同附图标记表示相同元件。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。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。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。

根据本发明一个方面的发明构思，设计一种金刚石NV色心磁探测装置，能够实现将多模块整合在一起测算磁场强度，利用磁通量汇集器结合金刚石NV色心，在保持探测灵敏度高的同时减小装置体积，降低材料成本，利于便携式移动平台所使用。

为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。

图1是根据本发明的一种示意性实施例的金刚石NV色心磁探测装置的剖面的主视图。

根据本发明的实施例，如图1所示，一种金刚石NV色心磁探测装置包括金刚石NV色心1、至少一对磁通量汇集器2、光源模块、透射反射器3、荧光接收模块、微波调制模块5以及锁相处理模块6。多个磁通量汇集器2的顶点临近设置以将待测磁场汇聚至顶点，金刚石NV色心1设置在至少一对磁通量汇集器2的顶点之间。光源模块适用于产生激光。透射反射器3适用于将来自于光源模块的一部分激光朝向金刚石NV色心1反射，使得金刚石NV色心1激发荧光。荧光接收模块包括荧光探测器4，荧光探测器4适用于基于荧光产生荧光信号。微波调制模块5适用于通过改变参考信号朝向金刚石NV色心1发射调制微波，使得金刚石NV色心1激发出调制荧光，使得荧光接收模块得到调制荧光信号。锁相处理模块6适用于基于参考信号和调制荧光信号得到待测磁场的强度。

根据本发明的实施例，金刚石NV色心1位于两个磁通量汇集器2的顶点之间，两个磁通量汇集器2的顶点相对设置。

根据本发明的实施例，金刚石NV色心1的色心浓度在0.1ppm~200ppm之间，金刚石NV色心1的长和宽分别在1mm以内，厚度在100μm以内，表面粗糙度在0.1nm~10nm。

根据本发明的实施例，磁通量汇集器2被构造为类圆锥体，顶点处为小圆端面，小圆直径为0.2mm~5mm，底面大圆直径与类圆锥体的高相等为1cm~10cm。

根据本发明的实施例，荧光探测器4包括但不限于采用的型号为FDS010、FD11A、FDS10X10、FDS100、FDS1010、FDS015、FDS02、FDS025、DET10A、DET100A、DET36A、LSSPD-6、LSSPD-2.5、LSSPD-4.2、LSSPD-1.2、S1223-01、S1223、S12109-32、S16008-66、S12158-01CT、S12271、S1226-44BK、S1226-8BK、C30902EH、C30902EH-2、C30902SH、C30902SH-TC等。

根据本发明的实施例，金刚石NV色心磁探测装置外部封装壳体18，壳体18包括但不限于采用塑料或者纯陶瓷的绝缘材料。

根据本发明实施例的一种金刚石NV色心磁探测装置，能够实现将多模块整合在一起，利用磁通量汇集器2将待测磁场汇聚至金刚石NV色心1处，提高了探测灵敏度，减小了装置体积，降低了材料成本，利于便携式移动平台使用。

根据本发明的实施例，金刚石NV色心磁探测装置还包括差分探测器7，适用于基于从透射反射器3透射的光源模块的另一部分激光产生差分信号，锁相处理模块6进一步适用于基于差分信号、参考信号和调制荧光信号得到待测磁场的强度。

根据本发明的实施例，差分探测器7包括但不限于采用的型号为FDS010、FD11A、FDS10X10、FDS100、FDS1010、FDS015、FDS02、FDS025、DET10A、DET100A、DET36A、LSSPD-6、LSSPD-2.5、LSSPD-4.2、LSSPD-1.2、S1223-01、S1223、S12109-32、S16008-66、S12158-01CT、S12271、S1226-44BK、S1226-8BK、C30902EH、C30902EH-2、C30902SH、C30902SH-TC等。

根据本发明的实施例，锁相处理模块6包括差分处理模块和测量模块。差分处理模块适用于基于差分信号滤除调制荧光信号中的噪声并得到探测信号，使得探测信号和参考信号的电压值相等。测量模块适用于基于探测信号和参考信号测算得到待测磁场的强度。

根据本发明的实施例，锁相处理模块6的芯片包括但不限于采用的型号为AD630，AD637、LIA-BV-150、LIA-MV-150、LIA-BDV-150。

根据本发明的实施例，锁相处理模块6将同时为正电压的差分信号和调制荧光信号转换为电压一正一负，把电压为一正一负的差分信号和调制荧光信号进行降噪差分处理得到探测信号，使得探测信号和参考信号的电压值相等。其中，探测信号和参考信号的电压值相等包括探测信号和参考信号的电压值相近的情况，在这个过程中因激光功率波动而产生的噪声被滤除，从而提高了探测灵敏度。

根据本发明的实施例，锁相处理模块6将同频率的探测信号和参考信号进行混频滤波处理，得到直流电压信号，根据直流电压信号测算得到待测磁场的强度：

（1）。

其中，T为待测磁场的强度，单位为特斯拉。V为锁相处理模块6输出的直流电压波动值，单位为伏特。G为磁通量汇集器2的磁场放大倍数。k为ODMR斜率，单位为V/GHz。r_e为旋磁比，单位为GHz/T。

根据本发明的实施例，对于特定的磁通量汇集器2尺寸和金刚石NV色心1的厚度，G的值是固定值。k的值与激光强度、调制微波的强度和荧光收集效率等相关，若所有参数都是固定值的情况下，k值也是固定值，k值通过ODMR曲线（ODMR）求得。r_e的值为固定值为28GHz/T。

这样的实施方式中，滤除因激光功率波动而产生的的噪声能够提高待测磁场的强度的测算的精度。

图2是根据本发明的一种示意性实施例的金刚石NV色心磁探测装置的俯视图。

根据本发明的实施例，如图2所示，光源模块包括适用于发射激光的激光二极管8和适用于接收并聚集激光的第一聚集镜片9。

根据本发明的实施例，激光二极管8包括但不限于采用的型号为PLT5-520、532激光模组、NUGM03、NUGM04、DJ532-10、LJ528NM120MW、LED525E、LED525L、LED528EHP、LED545L、LED560L等。

根据本发明的实施例，激光二极管8发射的激光为532nm附近。

根据本发明的实施例，第一聚集镜片9包括但不限于采用小尺寸的非球面镜，直径为2mm~10mm。

根据本发明的实施例，荧光接收模块还包括第二聚集镜片10、第三聚集镜片11、滤光片12。第二聚集镜片10适用于聚集经透射反射器3反射的激光并出射到金刚石NV色心1上。第三聚集镜片11适用于聚集来自于激光经金刚石NV色心1的与接收激光的一侧相对的第二侧激发的荧光，得到第一路荧光。滤光片12适用于对第一路荧光进行过滤，并将过滤的第一路荧光发射到荧光探测器4。

根据本发明的实施例，如图2所示，第二聚集镜片10位于金刚石NV色心1的右侧，第三聚集镜片11位于金刚石NV色心1的左侧。

根据本发明的实施例，第二聚集镜片10包括但不限于采用小尺寸的非球面镜，直径为2mm~10mm。第三聚集镜片11包括但不限于采用非球面镜，直径为1mm~5mm，数值孔径为0.5~0.8。

根据本发明的实施例，滤光片12适用于过滤600nm以下波段的荧光，通过600nm~1200nm波段的荧光。

根据本发明的实施例，荧光接收模块还包括第一反射单元和第二反射单元。第一反射单元适用于接收来自于激光经金刚石NV色心1的与接收激光的一侧相交的第三侧激发的第二路荧光，并将第二路荧光反射到滤光片12。第二反射单元适用于接收来自于激光经金刚石NV色心1的与接收激光的一侧相交的第四侧激发的第三路荧光，并将第三路荧光反射到滤光片12。

根据本发明的实施例，如图2所示，第一反射单元位于金刚石NV色心1的上侧，第二反射单元位于金刚石NV色心1的下侧。

根据本发明的实施例，如图2所示，第一反射单元包括第四聚集镜片13和第一反射镜14，第四聚集镜片13适用于接收来自于激光经金刚石NV色心1的与接收激光的一侧相交的第三侧激发的第二路荧光，第一反射镜14适用于将第二路荧光反射到滤光片12。第二反射单元包括第五聚集镜片16和第二反射镜15，第五聚集镜片16适用于接收来自于激光经金刚石NV色心1的与接收激光的一侧相交的第四侧激发的第三路荧光，第二反射镜15适用于将第三路荧光反射到滤光片12。这样，通过接收从金刚石NV色心1的三个侧面出射的荧光，能够提高荧光探测器4的检测准确度。可以理解，第二侧与接收激光的第一侧大致平行，第三侧和第四侧可以与第一侧或者第二侧垂直，也可以以除90度之外的其它角度与第一侧或者第二侧相交。

根据本发明的实施例，第四聚集镜片13和第五聚集镜片16包括但不限于采用非球面镜，直径为1mm~5mm，数值孔径为0.5~0.8。第一反射镜14和第二反射镜15包括但不限于采用平面镜或凹面镜。

这样的实施方式中，采用上、中、下路三路荧光的接收反射结构，提升了荧光收集强度，提高了金刚石NV色心磁探测装置的探测灵敏度。

根据本发明的实施例，微波调制模块5包括微波发生器和微波天线。微波发生器适用于基于参考信号产生调制微波，调制微波的频率与参考信号的频率一致。微波天线17适用于将调制微波传输到金刚石NV色心1上，使得金刚石NV色心1基于调制微波产生调制荧光。

根据本发明的实施例，微波调制模块5的芯片包括但不限于采用的型号为ADF4351、HUC830、HMC833、LMX2571、ADF5355，ADF5355、ADF4355、KDT3GMINI、MAX2870、WB-SG1-8G、RF-SG23-6000-A1等。

根据本发明的实施例，调制微波的类型为TTL、FM以及AM信号，调制频率为100Hz~100kHz。

根据本发明的实施例，如图2所示，微波天线17缠绕于磁通量汇集器2上，微波天线17适用于将调制微波传输到金刚石NV色心1上，调制微波通过操纵量子自旋能级的偏转，使得金刚石NV色心1产生调制荧光。例如缠绕在磁通量汇集器2的邻近顶点的部位，以更有效地将调制微波传输到金刚石NV色心1上。

根据本发明的实施例，微波调制模块5通过利用调制微波使得金刚石NV色心1激发出调制荧光，将低频的荧光信号调制为高频的调制荧光信号。

这样的实施方式中，能够实现滤除荧光信号中的电路噪声，提高信噪比。

根据本发明的实施例，磁通量汇集器2由坡莫合金材料制成，调制微波的频率为2.87GHz，调制荧光信号的频率为10kHz。

根据本发明的实施例，调制微波的频率包括但不限于为2.87GHz，此频率根据外界直流磁场大小决定，不同的外界直流磁场将会导致不同的金刚石色心塞曼劈裂能级的改变，进而影响到微波共振频率，因而可根据实际情况确定。

在一种示意性的实施例中，测算待测磁场的强度包括以下步骤S1-步骤S6：

步骤S1：选用金刚石NV色心1，色心浓度为3ppm，抛光镜面{100}，尺寸为300×300×70μm³。

步骤S2：将金刚石NV色心1放置于两个磁通量汇集器2的顶点之间，磁通量汇集器2选用坡莫合金材料，大圆直径为10mm，小圆直径为0.5mm，类圆锥体高为10mm。

步骤S3：激光二极管8出射532nm的激光，5mm的第一聚集镜片9将激光聚集后通过透射反射器3反射，通过3mm的第二聚集镜片10聚集到金刚石NV色心1上。激光会产生一定比例透过透射反射器3，被差分探测器7接收，得到差分信号。

步骤S4：金刚石NV色心1经激光的激发，发射出600nm~800nm的荧光，分别被三个方向的聚集镜片聚集，尺寸为3mm，数值孔径为N.A.~0.5。上下两路荧光分别被第一反射镜14和第二反射镜15反射至滤光片12滤光，第一反射镜14和第二反射镜15的尺寸为8mm，荧光接收模块基于荧光产生荧光信号。

步骤S5：通过改变参考信号朝向金刚石NV色心1发射FM调制微波，调制微波频率为2.87GHz，调制微波通过操纵量子自旋能级的偏转，使得金刚石NV色心1产生调制荧光，荧光接收模块接收调制荧光得到调制荧光信号。调制荧光信号呈周期性变化，频率为10kHz。

步骤S6：锁相处理模块6基于差分信号滤除调制荧光信号中的噪声并得到探测信号，基于探测信号和参考信号测量得到待测磁场的强度。

这样的实施方式中，磁通量汇集器2选用坡莫合金材料，材料加工简单，具有更大的磁导率，磁场放大倍数更大，导热性能好，金刚石NV色心1不会被激光的温度加热过高。

图3是根据本发明的一种示意性实施例的金刚石NV色心磁探测装置的灵敏度测试图。

根据本发明的实施例，如图3所示为金刚石NV色心磁探测装置当磁通量汇集器2选用坡莫合金材料的灵敏度测试结果，横坐标表示为频率分辨率，纵坐标表示为磁场噪声强度。白点曲线表征为调制微波功能打开的工作状态的灵敏度测试曲线，黑点曲线表征为调制微波功能关闭时只测量荧光信号的灵敏度测试曲线，即为基准线。若外界没有磁场为零磁环境时，即为图中两条曲线重合，0.55pT/Hz^1/2表征为水平线的磁场噪声强度。

根据本发明的实施例，磁通量汇集器2由铁氧体材料制成，调制微波的频率为2.87GHz，调制荧光信号的频率为100kHz。

在另一种示意性的实施例中，测算待测磁场的强度包括以下步骤S7-步骤S12：

步骤S7：选用金刚石NV色心1，色心浓度为3ppm，抛光镜面{111}，尺寸为200×200×50μm³。

步骤S8：将金刚石NV色心1放置于两个磁通量汇集器2的顶点之间，磁通量汇集器2选用铁氧体材料，大圆直径为15mm，小圆直径为0.3mm，类圆锥体高为15mm。

步骤S9：激光二极管8出射532nm的激光，5mm的第一聚集镜片9将激光聚集后通过透射反射器3反射，通过3mm的第二聚集镜片10聚集到金刚石NV色心1上。激光会产生一定比例透过透射反射器3，被差分探测器7接收，得到差分信号。

步骤S10：金刚石NV色心1经激光的激发，发射出600nm~800nm的荧光，分别被三个方向的聚集镜片聚集，尺寸为6mm，数值孔径为N.A.~0.63。上下两路荧光分别被第一反射镜14和第二反射镜15反射至滤光片12滤光，第一反射镜14和第二反射镜15的尺寸为8mm，荧光接收模块基于荧光产生荧光信号。

步骤S11：通过改变参考信号朝向金刚石NV色心1发射FM调制微波，调制微波频率为2.87GHz，调制微波通过操纵量子自旋能级的偏转，使得金刚石NV色心1产生调制荧光，荧光接收模块接收调制荧光得到调制荧光信号。调制荧光信号呈周期性变化，频率为100kHz。

步骤S12：锁相处理模块6基于差分信号滤除调制荧光信号中的噪声并得到探测信号，基于探测信号和参考信号测量得到待测磁场的强度。

这样的实施方式中，磁通量汇集器2选用铁氧体材料，材料质量轻，且无纯金属成分，不会对调制微波产生一定的屏蔽作用，所需要的调制微波功率更低，更节能。

根据本发明上述实施例的金刚石NV色心磁探测装置，利用光源模块产生激光，通过荧光接收模块接收金刚石NV色心1经激光激发的荧光得到荧光信号，再利用微波调制模块5发射的调制微波使得金刚石NV色心1激发出调制荧光，荧光接收模块得到调制荧光信号，锁相处理模块6根据微波调制模块5的参考信号和调制荧光信号得到待测磁场的强度，能够实现将多模块整合在一起，利用磁通量汇集器2将待测磁场汇聚至金刚石NV色心1处，提高了探测灵敏度，减小了装置体积，降低了材料成本，利于便携式移动平台使用。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造，并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10%的变化、在一些实施例中±5%的变化、在一些实施例中±1%的变化、在一些实施例中±0.5%的变化。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

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，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种金刚石NV色心磁探测装置，其特征在于，包括：

金刚石NV色心；

至少一对磁通量汇集器，其中，至少一对所述磁通量汇集器的顶点临近设置以将待测磁场汇聚至所述顶点，所述金刚石NV色心设置在至少一对所述磁通量汇集器的所述顶点之间；

光源模块，适用于产生激光；

透射反射器，适用于将来自于所述光源模块的一部分激光朝向所述金刚石NV色心反射，使得所述金刚石NV色心激发荧光；

荧光接收模块，包括荧光探测器，所述荧光探测器适用于基于所述荧光产生荧光信号；

微波调制模块，适用于通过改变参考信号朝向所述金刚石NV色心发射调制微波，使得所述金刚石NV色心激发出调制荧光，使得所述荧光接收模块得到调制荧光信号；

锁相处理模块，适用于基于所述参考信号和所述调制荧光信号得到所述待测磁场的强度；

所述荧光接收模块还包括：

第二聚集镜片，适用于聚集经所述透射反射器反射的激光并出射到所述金刚石NV色心上；

第三聚集镜片，适用于聚集来自于所述激光经所述金刚石NV色心的与接收所述激光的一侧相对的第二侧激发的荧光，得到第一路荧光；

滤光片，适用于对所述第一路荧光进行过滤，并将过滤的所述第一路荧光发射到所述荧光探测器；

第一反射单元，所述第一反射单元包括第四聚集镜片和第一反射镜，所述第四聚集镜片适用于接收来自于所述激光经所述金刚石NV色心的与接收所述激光的一侧相交的第三侧激发的第二路荧光，所述第一反射镜适用于将所述第二路荧光反射到所述滤光片；

第二反射单元，所述第二反射单元包括第五聚集镜片和第二反射镜，所述第五聚集镜片适用于接收来自于所述激光经所述金刚石NV色心的与接收所述激光的一侧相交的第四侧激发的第三路荧光，所述第二反射镜适用于将所述第三路荧光反射到所述滤光片。

2.根据权利要求1所述的金刚石NV色心磁探测装置，其特征在于，还包括差分探测器，适用于基于从所述透射反射器透射的所述光源模块的另一部分激光产生差分信号，

所述锁相处理模块进一步适用于基于所述差分信号、所述参考信号和所述调制荧光信号得到所述待测磁场的强度。

3.根据权利要求2所述的金刚石NV色心磁探测装置，其特征在于，所述锁相处理模块包括：

差分处理模块，适用于基于所述差分信号滤除所述调制荧光信号中的噪声并得到探测信号，使得所述探测信号和所述参考信号的电压值相等；

测量模块，适用于基于所述探测信号和所述参考信号测量得到所述待测磁场的强度。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的金刚石NV色心磁探测装置，其特征在于，所述光源模块包括：

激光二极管，适用于发射所述激光；

第一聚集镜片，适用于接收并聚集所述激光。

5.根据权利要求1-3中的任一项所述的金刚石NV色心磁探测装置，其特征在于，所述微波调制模块包括：

微波发生器，适用于基于所述参考信号产生所述调制微波，所述调制微波的频率与所述参考信号的频率一致；

微波天线，适用于将所述调制微波传输到所述金刚石NV色心上，使得所述金刚石NV色心基于所述调制微波产生所述调制荧光。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的金刚石NV色心磁探测装置，其特征在于，所述金刚石NV色心位于两个所述磁通量汇集器的所述顶点之间，两个所述磁通量汇集器的所述顶点相对设置。

7.根据权利要求1-3中的任一项所述的金刚石NV色心磁探测装置，其特征在于，所述磁通量汇集器由坡莫合金材料制成，所述调制微波的频率为2.87GHz，所述调制荧光信号的频率为10kHz。

8.根据权利要求1-3中的任一项所述的金刚石NV色心磁探测装置，其特征在于，所述磁通量汇集器由铁氧体材料制成，所述调制微波的频率为2.87GHz，所述调制荧光信号的频率为100kHz。