CN116148228A - 基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备。该集成化磁力计设备包括激光光源系统、微波产生装置、光电探测装置和具有氮空位色心的金刚石单元，所述激光光源系统的封装壳体上开设有通光孔，所述通光孔用于通过所述封装壳体内的激光器模组产生的激光光束，所述微波产生装置、所述光电探测装置、所述金刚石单元均安装于所述封装壳体的外表面，所述金刚石单元用于同时接收所述激光光束和所述微波产生装置发出的微波，所述光电探测装置用于探测所述金刚石单元激发的荧光。本方案实现了光源、微波源和探测模块三者的集成化，获得小型化、携带方便的磁力计设备。

Description

基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备

技术领域

本发明属于固态原子磁强计技术领域，具体地讲，涉及一种基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备。

背景技术

微弱磁场探测在材料科学、生命科学、工程技术等领域有着重要的应用，近年来，随着量子技术的发展，基于金刚石氮空位(NV)色心的磁力计不断应用于磁场测量领域。NV色心是金刚石体内一种特殊的点缺陷，结构稳定，在激光照射和微波辐射作用下，可以实现对金刚石NV色心电子自旋的初始化、操控和测量。基于NV色心的磁力计主要依赖光探测磁共振技术，改变色心所加微波频率的同时，记录色心的荧光强度，最后得出一个荧光强度和微波频率的关系图，即光探测磁共振谱。当所加的微波频率和电子态跃迁频率共振时，色心的荧光强度会下降，因此在磁共振谱上会看到一个波谷。当所加的外磁场变化时，由于塞曼效应，电子状态共振频率位置也会发生变化。根据频移量可以计算出所加的外磁场的大小，因此，可以实现基于NV色心的磁力计，并有着巨大的应用前景。

基于金刚石NV色心的磁力计大多集中于实验平台，没有成熟方案实现磁力计的小型化，不具有可携带性。

发明内容

(一)本发明所要解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：如何提供一种便携性、小型化的基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备。

(二)本发明所采用的技术方案

一种基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备，所述集成化磁力计设备包括激光光源系统、微波产生装置、光电探测装置和具有氮空位色心的金刚石单元，所述激光光源系统的封装壳体上开设有通光孔，所述通光孔用于通过所述封装壳体内的激光器模组产生的激光光束，所述微波产生装置、所述光电探测装置、所述金刚石单元均安装于所述封装壳体的外表面，所述金刚石单元用于同时接收所述激光光束和所述微波产生装置发出的微波，所述光电探测装置用于探测所述金刚石单元激发的荧光。

优选地，所述微波产生装置包括控制电路板、微波芯片和螺旋电感，所述控制电路板、所述微波芯片和所述螺旋电感、微波芯片均与所述控制电路板电连接，所述螺旋电感用于辐射微波。

优选地，所述螺旋电感位于所述通光孔上方，金刚石单元设置于所述螺旋电感上，且所述螺旋电感上开设有导光孔，所述导光孔用于通过所述激光光束。

优选地，所述金刚石单元设置于所述螺旋电感上，所述金刚石单元的部分边缘伸出于所述螺旋电感之外，且所述部分边缘在位于所述通光孔上方。

优选地，所述光电探测装置包括若干第一光电探测器，所述第一光电探测器固定于所述封装壳体的外表面，且若干所述光电探测器分布于金刚石单元的上方和侧方，以用于探测从金刚石单元的顶面和侧面方向发出的荧光。

优选地，所述光电探测装置包括第一光电探测器和若干棱镜，所述第一光电探测器安装于所述封装壳体的外表面且位于所述金刚石单元上方，若干所述棱镜位于所述金刚石单元的侧面，所述棱镜用于将所述金刚石单元的侧面出射的荧光折射至上方的所述第一光电探测器上。

优选地，所述光电探测装置还包括第一滤波片，所述第一滤波片安装于所述第一光电探测器和所述金刚石单元之间，所述第一滤波片用于阻挡所述激光光束进入所述第一光电探测器，所述激光光束的波长为λ1；所述第一光电探测器用于探测从所述金刚石单元发出的荧光，所述荧光的波长为λ2。

优选地，所述光电探测装置还包括第二光电探测器、第二滤波片、衰减片，所述第二光电探测器固定于所述封装壳体的外表面且位于所述通光孔的上方，所述第二光电探测器用于探测所述激光光束，所述衰减片用于衰减高能量的激光光束，所述第二滤波片用于阻挡金刚石单元激发的荧光，所述激光光束的波长为λ1，所述荧光的波长λ2。

优选地，所述封装壳体为经过无磁处理的壳体，所述集成化磁力计设备还包括散热件，所述散热件安装于所述封装壳体的底部。

(三)有益效果

本发明公开了一种基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备，相对于现有技术，具有如下技术效果：

将激光器模组安装在封装壳体内部，并将微波产生装置和光电探测装置安装在封装壳体的外表面，实现光源、微波源和探测模块三者的集成化，获得小型化、携带方便的磁力计设备。

附图说明

图1为本发明的实施例一的基于金刚石的氮空位的集成化磁力计设备的剖面示意图；

图2为本发明的实施例一的封装壳体的立体结构示意图；

图3为本发明的实施例一的光电探测装置的第一种结构装配示意图；

图4为本发明的实施例一的光电探测装置的第二种结构装配示意图；

图5为本发明的实施例一的光电探测装置的第三种结构装配示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在详细描述本申请的各个实施例之前，首先简单描述本申请的发明构思：现有技术中的基于金刚石NV色心的磁力计大多集中于实验平台，不具有便携性，为此，本方案提供了一种基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备，将激光器模组安装在封装壳体内部，并将微波产生装置和光电探测装置安装在封装壳体的外表面，实现光源、微波源和探测模块三者的集成化，获得小型化、携带方便的磁力计设备。

具体来说，如图1和图2所示，本实施例一公开了一种基于金刚石的氮空位的集成化磁力计设备，该集成化磁力计设备包括激光光源系统、微波产生装置30、光电探测装置40和具有氮空位色心的金刚石单元50，激光光源系统包括封装壳体10和激光器模组，激光器模组安装于封装壳体10内，封装壳体10上开设有通光孔11，通光孔11用于通过激光器模组产生的激光光束，微波产生装置30、光电探测装置40、金刚石单元50均安装于封装壳体10的外表面，金刚石单元50用于同时接收激光光束和微波产生装置30发出的微波，光电探测装置40用于探测金刚石单元50激发的荧光。

示例性地，激光器模组包括激光器21、导热控温组件22、整形透镜23、全反射棱镜24、电极25，激光器21安装于导热控温组件22上，电极25与激光器21电连接，且电极25的部分穿出于封装壳体10的侧壁之外，激光器21产生的激光光束依次经过整形透镜23、全反射棱镜24和通光孔11。进一步地，封装壳体10为经过无磁处理的壳体，集成化磁力计设备还包括散热件60，散热件60安装于封装壳体10的底部。这样可以提高封装壳体10的散热能力，有利于保证激光器模组的正常工作，同时将激光光源小型化，激光光束经过整形，直径较小，光斑功率较高。另外，封装壳体10的外侧壁上还设置有安装部12，通过安装部12便于将封装壳体10安装至其他设备上。

具体地，微波产生装置30包括控制电路板31、微波芯片32和螺旋电感33，控制电路板31、微波芯片32和螺旋电感33、微波芯片32均与控制电路板31电连接，螺旋电感33用于辐射微波。示例性地，微波产生装置30还包括承载架34，承载架34固定于封装壳体10的外表面，控制电路板31、微波芯片32和螺旋电感33均安装于承载架34上。微波源芯片化，大幅降低体积，实现集成化。

示例性地，金刚石单元50设置于螺旋电感33上，金刚石单元50的部分边缘伸出于螺旋电感33之外，且部分边缘在位于通光孔11上方。其中，螺旋电感33位于通光孔11的边缘，金刚石单元50放置在螺旋电感33上时，将金刚石单元50的侧部伸出于螺旋电感33之外，使得从通光孔11出射的激光光束照射至金刚石单元50的侧部，即部分边缘，螺旋电感33从金刚石单元50的底部辐射微波，使得金刚石同时接收到激光和微波。

在另一种实施方式中，螺旋电感33位于通光孔11上方，金刚石单元50设置于螺旋电感33上，且螺旋电感33上开设有导光孔，导光孔用于通过激光光束。其中，螺旋电感33安装在通光孔11的正上方，当金刚石单元50设置于螺旋电感33上时，激光光束和螺旋电感33产生的微波均从金刚石单元50的底部进入，使得金刚石单元50同时接收到激光和微波。

进一步地，如图3所示，光电探测装置40包括若干第一光电探测器41，第一光电探测器41固定于封装壳体10的外表面，且若干光电探测器41分布于金刚石单元50的上方和侧方，以用于探测从金刚石单元50的顶面和侧面方向发出的荧光。通过设置多个第一光电探测器41，提高光电探测装置40的荧光收集能力。其中，每个第一光电探测器41均具有支架，通过支架焊接在封装壳体10的外表面，相邻的两个第一光电探测器41的支架可相互焊接，实现固定。

在另一实施方式中，如图4所示，光电探测装置40包括第一光电探测器41和若干棱镜42，第一光电探测器41安装于封装壳体10的外表面且位于金刚石单元50上方，若干棱镜42位于金刚石单元50的侧面，棱镜42用于将金刚石单元50的侧面出射的荧光折射至上方的第一光电探测器41上。通过棱镜42的折射功能，提高光电探测装置40的荧光收集能力。

进一步地，光电探测装置40还包括第一滤波片43，第一滤波片43安装于第一光电探测器41和金刚石单元50之间，第一滤波片43用于阻挡激光光束进入第一光电探测器41，激光光束的波长为λ1，荧光的波长为λ2。这样可保证第一光电探测器41对荧光的探测准确率。

进一步地，如图5所示，光电探测装置40还包括第二光电探测器44、第二滤波片45、衰减片46，第二光电探测器44固定于封装壳体10的外表面且位于通光孔11的上方，且第二光电探测器44位于第一光电探测器41下方，第二光电探测器44用于探测激光光束，第二滤波片45用于阻挡金刚石单元50激发的荧光，衰减片46用于衰减高能量的激光光束。利用第二光电探测器44接收激光光束，可以实时监控激光器的稳定性。

本实施例一提供的基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备，将激光光源、微波装置和探测装置进行集成化设计，形成小型化、可携带的磁力计设备。

上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备，其特征在于，所述集成化磁力计设备包括激光光源系统、微波产生装置、光电探测装置和具有氮空位色心的金刚石单元，所述激光光源系统的封装壳体上开设有通光孔，所述通光孔用于通过所述封装壳体内的激光器模组产生的激光光束，所述微波产生装置、所述光电探测装置、所述金刚石单元均安装于所述封装壳体的外表面，所述金刚石单元用于同时接收所述激光光束和所述微波产生装置发出的微波，所述光电探测装置用于探测所述金刚石单元激发的荧光。

2.根据权利要求1所述的集成化磁力计设备，其特征在于，所述微波产生装置包括控制电路板、微波芯片和螺旋电感，所述控制电路板、所述微波芯片和所述螺旋电感、微波芯片均与所述控制电路板电连接，所述螺旋电感用于辐射微波。

3.根据权利要求2所述的集成化磁力计设备，其特征在于，所述螺旋电感位于所述通光孔上方，金刚石单元设置于所述螺旋电感上，且所述螺旋电感上开设有导光孔，所述导光孔用于通过所述激光光束。

4.根据权利要求3所述的集成化磁力计设备，其特征在于，所述金刚石单元设置于所述螺旋电感上，所述金刚石单元的部分边缘伸出于所述螺旋电感之外，且所述部分边缘在位于所述通光孔上方。

5.根据权利要求3所述的集成化磁力计设备，其特征在于，所述光电探测装置包括若干第一光电探测器，所述第一光电探测器固定于所述封装壳体的外表面，且若干所述光电探测器分布于金刚石单元的上方和侧方，以用于探测从金刚石单元的顶面和侧面方向发出的荧光。

6.根据权利要求4所述的集成化磁力计设备，其特征在于，所述光电探测装置包括第一光电探测器和若干棱镜，所述第一光电探测器安装于所述封装壳体的外表面且位于所述金刚石单元上方，若干所述棱镜位于所述金刚石单元的侧面，所述棱镜用于将所述金刚石单元的侧面出射的荧光折射至上方的所述第一光电探测器上。

7.根据权利要求5或6所述的集成化磁力计设备，其特征在于，所述光电探测装置还包括第一滤波片，所述第一滤波片安装于所述第一光电探测器和所述金刚石单元之间，所述第一滤波片用于阻挡所述激光光束进入所述第一光电探测器，所述激光光束的波长为λ1；所述第一光电探测器用于探测从所述金刚石单元发出的荧光，所述荧光的波长为λ2。

8.根据权利要求5或6所述的集成化磁力计设备，其特征在于，所述光电探测装置还包括第二光电探测器、第二滤波片、衰减片，所述第二光电探测器固定于所述封装壳体的外表面且位于所述通光孔的上方，所述第二光电探测器用于探测所述激光光束，所述衰减片用于衰减高能量的激光光束，所述第二滤波片用于阻挡金刚石单元激发的荧光，所述激光光束的波长为λ1，所述荧光的波长λ2。

9.根据权利要求1所述的集成化磁力计设备，其特征在于，所述封装壳体为经过无磁处理的壳体，所述集成化磁力计设备还包括散热件，所述散热件安装于所述封装壳体的底部。

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