CN116165182A - 量子宽场磁显微镜 - Google Patents

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Abstract

提供一种量子宽场磁显微镜，包括：探头模块，包括物镜和样品台，样品台用于承载待测样品以及覆于待测样品上的金刚石NV色心自旋传感器；激发光路模块，被配置为用于产生激光并将激光沿设定角度照射于金刚石NV色心自旋传感器上，从而使得NV色心产生荧光；微波模块，包括微波源和辐射结构，辐射结构非接触的设置于物镜和金刚石NV色心自旋传感器之间，微波源用于按设定时序和设定频率发出微波信号，辐射结构被构造成用于将微波信号生成微波磁场作用于金刚石NV色心自旋传感器；荧光成像模块，用于收集微波磁场作用于金刚石NV色心自旋传感器后的荧光并生成荧光强度分布图；数据处理模块，基于荧光强度分布图，计算得到待测样品磁场图像。

Description

量子宽场磁显微镜
技术领域
本公开涉及磁成像技术领域，尤其涉及一种量子宽场磁显微镜。
背景技术
现阶段实现磁性样品、岩石和矿物中磁颗粒、集成电路和芯片电流产生磁场的磁测量和成像主要包括如下三种技术手段，技术一如“Micrometer-scale magnetic imagingof geological samples using a quantum diamond microscope”[Geochem.Geophys.Geosyst.，18，3254-3267(2017)]中所述，首次将量子宽场磁显微镜应用到地学样品上，实现了对岩石样品中磁颗粒产生的杂散磁场的成像。实验中装置图如下所示。该装置使用金刚石中的氮-空位自旋二维面阵作为传感器，使用宽场荧光显微镜作为探测器，辐射结构仍然与样品相接触。在实验方面，数据采集、指令同步等仍然是软件同步，效率不高。技术二如“HIGH-RESOLUTION MAGNETIC FIELD FINGERPRINTING OF INTEGRATEDCIRCUIT ACTIVITY WITH A QUANTUM DIAMOND MICROSCOPE”(专利US20210239779)中所述，将基于金刚石氮-空位自旋的量子精密测量技术应用在了集成电路上面，实现了集成电路的磁成像。装置仍然是采用的自由光、与样品贴合的辐射结构以及软件层面的指令同步，效率较低。技术三如耦合磁成像装置及测量方法”(CN202111311579.X)中所述，其主要发明了磁耦合显微镜装置，其光路是自由光、与样品贴合的辐射结构以及软件层面的指令同步，效率较低。
然而上述方法灵敏度较差、效率较低且操作困难，因此，亟需一种更好的量子宽场磁显微镜。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种量子宽场磁显微镜，以缓解现有技术中磁测量和成像时灵敏度较差、效率较低且操作困难等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种量子宽场磁显微镜，包括：探头模块，激发光路模块，微波模块，荧光成像模块，数据处理模块。
探头模块包括物镜和样品台，所述样品台用于承载待测样品以及覆于所述待测样品上的金刚石NV色心自旋传感器；激发光路模块被配置为用于产生激光并将激光沿设定角度照射于所述金刚石NV色心自旋传感器上，从而使得NV色心产生荧光；微波模块包括微波源和辐射结构，所述辐射结构非接触的设置于所述物镜和所述金刚石NV色心自旋传感器之间，所述微波源用于按设定时序和设定频率发出微波信号，所述辐射结构被构造成用于将所述微波信号生成微波磁场作用于金刚石NV色心自旋传感器；荧光成像模块用于收集微波磁场作用于金刚石NV色心自旋传感器后的荧光并生成荧光强度分布图；数据处理模块基于所述荧光强度分布图，计算得到待测样品磁场图像。
根据本公开实施例，辐射结构的一侧开口作为使激光通过的激光导引孔，激光导引孔的末端设置有通孔，通孔上设置有覆铜导线，所述覆铜导线用于在微波信号作用下生成微波磁场；所述辐射结构通过固定支架设置于所述物镜和所述金刚石NV色心自旋传感器之间，使得辐射结构不与所述金刚石NV色心自旋传感器和物镜接触。
根据本公开实施例，金刚石NV色心自旋传感器长度不大于3mm，厚度不大于1mm，且一侧具有一斜切面，所述斜切面与水平方向夹角的角度在35-55度之间。
根据本公开实施例，金刚石NV色心位于所述金刚石NV色心自旋传感器靠近待测样品的一侧，其将待测样品磁场信号通过量子效应转换为荧光信号。
根据本公开实施例，探头模块还包括亥姆霍兹线圈，用于为待测样品施加大小和方向可调的均匀外磁场。
根据本公开实施例，量子宽场磁显微镜还包括同步控制模块，所述同步控制模块中包括任意序列发生器，其序列时间控制精度好于1μs，其输出通道数大于等于3个，分别发出控制信号以控制激光模块的输出开关、微波模块的输出开关、以及微波系统的设定频率列表播放。
根据本公开实施例，设定频率列表中的频率在2-4GHz之间，设定频率列表中频率个数在10-200之间，频率间隔在10-1000KHz之间。
根据本公开实施例，激发光路模块包括激光器、多模匀化光纤、角度可调的光束聚焦器，激光通过耦合装置耦合进多模匀化光纤中，再通过光束聚焦器将多模匀化光纤的激光聚焦照射于金刚石NV色心自旋传感器的斜切面，从而作用于具有金刚石NV色心的一侧，形成功率密度均匀的光斑。
根据本公开实施例，荧光成像模块包括CCD或sCMOS类型的科研相机，科研相机的完成曝光准备与任意序列发生器的外触发接口相连接。
根据本公开实施例，任意序列发生器的外触发接口与科研相机相的触发输出相连并能够接受触发脉冲信号，从而进行脉冲输出，脉冲输出序列表述为：a、接收到触发脉冲后，控制激光模块的输出开关的通道和控制微波模块的输出开关的通道均为高电平，其他通道低电平，时间长度t与每帧曝光时间长度相同，或小于每帧的曝光时间，用于采集荧光信号，该过程循环n次，1≤n≤1000；b、再次接收到触发脉冲后，控制激光模块的输出开关的通道为高电平，其他通道低电平，时间长于与t相同，用于采集荧光参考信号，该过程循环n次；c、将a和b循环m次，1≤m≤1000；d、控制微波模块的输出开关的通道为高电平，用于触发微波模块改变频率；f、步骤a-d循环l次，l等于频率列表中频率个数的整数倍。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开量子宽场磁显微镜至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)辐射结构在工作时需通入大功率微波，将会发出大量的热量，本公开辐射结构与样品分离的构造，能够避免这种热量直接传递到样品造成温度升高而带来的漂移；
(2)采用Ω型的辐射结构，能够产生辐射空间上较为均匀的微波，避免微波不均匀带来的峰的展宽效果；
(3)辐射结构与样品分离的构造，使得在更换样品时，不需要将辐射结构取下，减少了重新连接线路等过程的时间损耗，提升了测量的实验效率。
(4)提升了模块化水平，以匀化光纤为核心的激发光路代替了原来的自由光激发光路。
附图说明
图1为本公开实施例的量子宽场磁显微镜的组成结构示意图，其中虚线框为局部的放大图。
图2为本公开实施例的辐射结构的示意图。
图3为本公开实施例的辐射结构与物镜及激光的相对位置关系立体示意图。
图4为本公开实施例的辐射结构与物镜及激光的相对位置关系侧视示意图。
图5为本公开实施例的量子宽场磁显微镜的工作原理及连接关系示意图。
图6为本公开实施例的任意序列发生器的脉冲序列示意图。
图7为本公开实施例的量子宽场磁显微镜进行的磁颗粒成像的测试结果示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种量子宽场磁显微镜，针对在室温大气下对微米尺度样品的磁成像技术问题，基于金刚石氮-空位自旋量子精密测量技术实现待测样品的磁测量和成像，具有高灵敏度、高效率、辐射结构-样品分离、高度模块化、易操作等优点。测量对象包括：磁性样品、岩石和矿物中磁颗粒、集成电路和芯片电流产生磁场。
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。
量子宽场磁显微镜的工作原理为使用钻石中的NV色心自旋作为传感器。作为电子自旋，钻石NV色心在靠近磁性样品时，其能级劈裂会发生改变，通过测量其能级劈裂的改变，可以反推出NV色心上所感受到的磁场大小。因为NV色心本身的尺寸为几个原子大小，所以其得到的磁场可以认为是NV色心所在的点的坐标的磁场。NV色心可以发出荧光，通过外加微波和激光作用下发生的荧光强度的改变，可以探测NV色心的磁共振谱，也就是所谓的光探测磁共振。本公开中使用科研相机进行NV色心荧光强度的探测。本公开在金刚石表面以下10-100纳米范围之内生成一个NV色心薄层，再通过光学显微镜系统，将NV色心与科研相机001的像素点进行实空间的映射。这样，即可探测NV色心的荧光强度在2维空间上的分布图像，再通过光探测磁共振实验便可以得到空间上不同位置的NV色心的磁共振谱，从而计算出磁场的图像。
在本公开实施例中，提供一种量子宽场磁显微镜，结合图1至图5所示，所述量子宽场磁显微镜，包括：
探头模块，包括物镜006和样品台005，所述样品台005用于承载待测样品015以及覆于所述待测样品015的金刚石NV色心自旋传感器014；
激发光路模块，被配置为用于产生激光10并将激光10沿设定角度照射于所述金刚石NV色心自旋传感器上014，从而使得NV色心产生荧光；
微波模块，包括微波源和辐射结构009，所述辐射结构非接触的设置于所述物镜006和所述金刚石NV色心自旋传感器014之间，所述微波源用于按设定时序和设定频率发出微波信号，所述辐射结构被构造成用于将所述微波信号生成微波磁场作用于金刚石NV色心自旋传感器014；
荧光成像模块，用于收集微波磁场作用于金刚石NV色心自旋传感器后的荧光并生成荧光强度分布图；
数据处理模块，基于所述荧光强度分布图，计算得到待测样品磁场图像。
根据本公开实施例，结合图2、图3和图4所示，所述辐射结构009的一侧开口作为使激光通过的激光导引孔019，激光导引孔019的末端设置有通孔，通孔上设置有覆铜导线，形成覆铜Ω型导线016，所述覆铜导线用于在微波信号作用下生成微波磁场；开口与辐射结构009的微带线垂直，能够使得激光沿开口通过。所述辐射结构通过固定支架008设置于所述物镜006和所述金刚石NV色心自旋传感器014之间，使得辐射结构不与所述金刚石NV色心自旋传感器014和物镜006接触。辐射结构009通过SMA型微波电缆接头018与同轴电缆017相连。辐射结构009通过固定螺丝20固定位置。
根据本公开实施例，金刚石NV色心自旋传感器014的长度不大于3mm，厚度不大于1mm，且一侧具有一斜切面，如图4所示，所述斜切面与水平方向夹角的角度在35-55度之间。
根据本公开实施例，金刚石NV色心位于所述金刚石NV色心自旋传感器014靠近待测样品015的一侧，其将待测样品磁场信号通过量子效应转换为荧光信号。金刚石NV色心自旋传感器014覆于待测样品015上，待测样品015位于样品台005的样品底座007上。
根据本公开实施例，如图1所示，探头模块还包括亥姆霍兹线圈003，其用于为待测样品015施加大小和方向可调的均匀外磁场。
根据本公开实施例，结合图1和图5所示，激发光路模块包括激光器(图5中所示的激光系统)、多模匀化光纤及多模匀化光纤跳线011、角度可调的光束聚焦器012，激光通过耦合装置耦合进多模匀化光纤中，再通过光束聚焦器将多模匀化光纤的激光聚焦照射于金刚石NV色心自旋传感器014的斜切面，从而作用于具有金刚石NV色心的一侧，形成功率密度均匀的光斑。角度可调镜架013用于调整激光束的出射角度。
根据本公开实施例，量子宽场磁显微镜还包括同步控制模块，所述同步控制模块中包括任意序列发生器，其序列时间控制精度好于1μs，其输出通道数大于等于3个(如图3所示为1、2、3三个脉冲输出通道)，分别发出控制信号以控制激光模块的输出开关、微波模块的输出开关、以及微波系统的设定频率列表播放。脉冲输出通道1与激光模块相连，脉冲输出通道3与微波模块中的微波波源相连，脉冲输出通道2与微波模块中的微波开关相连。微波模块能够接收2路脉冲触发信号，在脉冲输出通道2输出的触发信号为高电平时，微波开关导通输出微波信号，脉冲输出通道3输出的触发信号时，微波波源能够按照预置设定频率列表播放输出，例如向下或向上改变一次频率。
根据本公开实施例，所述设定频率列表中的频率在2-4GHz之间，设定频率列表中频率个数在10-200之间，频率间隔在10-1000KHz之间。
根据本公开实施例，结合图1和图5所示，所述荧光成像模块包括CMOS或sCMOS类型的科研相机001，科研相机001的完成曝光准备与任意序列发生器的外触发接口相连接。科研相机001通过USB数据线或者Camera Link相机专用连接线与计算机相连接，科研相机001的触发输出与任意序列发生器的触发输入端相连接。科研相机001可以设置为连续曝光模式，完成曝光准备并开始曝光时输出同步脉冲。
根据本公开实施例，同步控制模块将脉冲序列写入到任意序列发生器的缓存中；任意序列发生器的外触发接口与科研相机的触发输出相连并能够接受触发脉冲信号，实验时，设定微波信号发生系统的频率列表，微波信号发生系统初始频率为频率列表中的第一个频率；设置相机的曝光帧数，曝光模式为连续曝光，打开曝光开始脉冲输出功能；相机曝光开始；任意序列发生器接收到相机输出的曝光开始脉冲，开始播放预置的脉冲序列；相机曝光完成一帧，数据输出至电脑的存储器；进行下一帧的曝光，直到所预置的帧数全部完成，实验结束；计算机开始数据处理，输出最终图像。
根据本公开实施例，结合图6所示，任意序列发生器的脉冲输出序列表述为：
a、接收到触发脉冲后，控制激光模块的输出开关的通道和控制微波模块的输出开关的通道均为高电平，其他通道低电平，时间长度t与每帧曝光时间长度相同，或小于每帧的曝光时间，用于采集荧光信号，该过程循环n次，1≤n≤1000；
b、再次接收到触发脉冲后，控制激光模块的输出开关的通道为高电平，其他通道低电平，时间长于与t相同，用于采集荧光参考信号，该过程循环n次；
c、将a和b循环m次，1≤m≤1000；
d、控制微波模块的输出开关的通道为高电平，用于触发微波模块改变频率；
f、步骤a-d循环l次，l等于频率列表中频率个数的整数倍。
根据本公开实施例，探头模块主要功能包括承载金刚石NV色心自旋传感器014与样品，将激光、微波辐射至样品，并收集金刚石NV色心发出的荧光，形成荧光图像。在构造上，探头模块可以包括金刚石NV色心自旋传感器014，其包含了近表面的一层金刚石NV色心，可以将磁场信号通过量子效应转换为荧光强度信号；NV色心层在金刚石NV色心自旋传感器014表面以下10-100纳米深度，层厚为5-10纳米，NV色心之间的平均间距为10-100纳米。无磁的三维位移平台和二维偏摆样品台005，其用于承载金刚石NV色心自旋传感器014和待测样品015；位移平台的移动精度为1-10微米，偏摆台的角度精度为小于0.1度。
根据本公开实施例，微波模块的微波辐射结构009用于将微波场辐射至金刚石NV色心自旋传感器014；荧光成像系统可以包括透镜套筒002、基于电荷耦合器件(CCD)或科研级互补金属氧化物半导体(sCMOS)科研相机001，用于收集NV色心的荧光并进行荧光成像。激发光路模块可以包括一台高功率的532纳米波长的连续波或脉冲激光器、多模匀化光纤、可以调节角度的光束聚焦器，激光通过耦合装置耦合进多模光纤中，光纤一端由相干光源耦合进相干光束，另一端通过光纤光束调节系统从金刚石NV色心自旋传感器014侧面的斜面聚焦照射在带有氮-空位点缺陷的一面上，形成功率密度均匀的光斑；如果激光器是脉冲型激光器，那么激光的脉冲输出需要能够使用电脉冲(TTL逻辑电平)信号控制，高电平时激光打开，低电平时激光关闭。微波模块可以包括微波信号发生器、微波开关、微波放大器，包含的所有元件的微波频率范围需要涵盖2-4GHz。其中微波信号发生器需要带有频率列表播放功能，接收到TTL上升沿时，按照频率列表，输出微波频率变化到下一个频率。其中微波开关在接收到TTL高电平信号时，微波能够通过，TTL低电平时微波不能通过，开关比要达到60分贝以上，上升沿要小于100纳秒。
根据本公开实施例，同步控制模块可以包括计算机、任意序列发生器，其中计算机需要具有较大的储存空间和较强的运算能力。任意序列发生器带有缓存，并且能够接受脉冲触发信号，实验前能够将脉冲序列写入到缓存中，并在接收到触发信号之后能够播放缓存中的脉冲序列。计算机设置为播放预定的脉冲序列并进行数据测采集和分析。
根据本公开实施例，科研相机001通过USB数据线或者Camera Link相机专用连接线与计算机相连接，科研相机001的触发输出与任意序列发生器的触发输入端相连接，任意序列发生器的1个脉冲输出通道与微波开关相连接，任意序列发生器的1个脉冲输出通道与激光器的脉冲输入相连接，任意序列发神器的1个脉冲数通道与微波信号发生器的触发输入通道相连接。
根据本公开实施例，量子宽场磁显微镜工作过程如下所述：
(1)将金刚石NV色心自旋传感器014带有NV色心的一面朝向样品，将其放置在样品上感兴趣的区域，保证金刚石NV色心自旋传感器014的中央区域与感兴趣区域重合；
(2)将样品同金刚石NV色心自旋传感器014一起放置在探头模块的样品台005上，将金刚石NV色心自旋传感器014斜面的一侧对准激光入射方向，使之与激光光束010在水平面的投影垂直；
(3)打开白光照明光源004，调整样品和金刚石NV色心自旋传感器014的位置，使得金刚石NV色心自旋传感器014的NV色心的平面与物镜的焦平面对齐，同时将感兴趣的区域调整在视野中央；
(4)调整激光激光的角度，使得激发激光能够涵盖感兴趣的区域；
(5)设定磁成像的实验参数，包括任意序列发生器的脉冲序列、微波信号发生器的频率列表、科研相机001的单帧曝光时间、整个实验的循环次数等；
(6)进行曝光和数据采集，采集完成时，数据写入硬盘；
(7)数据处理，将得到的数据进行整合，然后通过最小二乘法进行洛伦兹曲线拟合得到每个像素点位置上NV色心的共振峰，计算磁场大小；将每个像素点上的磁场大小进行绘图，形成磁场图像。
根据本公开实施例，使用直径为150纳米的磁性颗粒进行装置工作的演示，测量结果如图7所示。该图7中，已经将外加的25高斯磁场扣除，只剩下由磁颗粒引起的空间磁场的变化。可以很清晰地看到由磁颗粒的磁偶极距的图像，表现为一正一负的小区域成对出现。
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量子宽场磁显微镜有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种量子宽场磁显微镜，相较于现有技术中的磁显微镜优点和积极效果明显，例如：1)、辐射结构009部分构造，有如下优点：(1)在实验中，辐射结构009将会发出大量的热量，本公开辐射结构009与样品分离的构造，能够避免这种热量直接传递到样品，造成温度升高带来的漂移；(2)采用Ω型的辐射结构009，能够辐射空间上较为均匀的微波，避免微波不均匀带来的峰的展宽效果；(3)本公开辐射结构009与样品分离的构造，使得在更换样品时，不需要将辐射结构009取下，减少了重新连接线路等过程的时间损耗。2)、线路连接和脉冲序列部分，有如下优点：背景方案中，没有提到线路连接和脉冲序列，或者相机、微波和控制系统之间是软件同步。软件同步中势必会有指令处理时间，对于一张图曝光100毫秒的时间来说，指令处理时间往往也是100毫秒，这样约一半的时间浪费在指令处理时间上，实验时间利用效率只有不到50％。而本公开中采用硬件同步，指令处理时间小于1毫秒，实验效率提升到90％以上。3)、激发光路部分的构造，有如下优点：采用匀化光纤将激光从激光器引导至样品，一方面使得激发光光强在空间上更加均匀，得到的图像不会有边缘效应；另一方面提高了整机的模块化程度和维护便利性，可以方便地更换激光器，不再需要调整光路。
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)

1.一种量子宽场磁显微镜，包括：
探头模块，包括物镜和样品台，所述样品台用于承载待测样品以及覆于所述待测样品上的金刚石NV色心自旋传感器；
激发光路模块，被配置为用于产生激光并将激光沿设定角度照射于所述金刚石NV色心自旋传感器上，从而使得NV色心产生荧光；
微波模块，包括微波源和辐射结构，所述辐射结构非接触的设置于所述物镜和所述金刚石NV色心自旋传感器之间，所述微波源用于按设定时序和设定频率发出微波信号，所述辐射结构被构造成用于将所述微波信号生成微波磁场作用于金刚石NV色心自旋传感器；
荧光成像模块，用于收集微波磁场作用于金刚石NV色心自旋传感器后的荧光并生成荧光强度分布图；
数据处理模块，基于所述荧光强度分布图，计算得到待测样品磁场图像。
2.根据权利要求1所述的量子宽场磁显微镜，所述辐射结构的一侧开口作为使激光通过的激光导引孔，激光导引孔的末端设置有通孔，通孔上设置有覆铜导线，所述覆铜导线用于在微波信号作用下生成微波磁场；所述辐射结构通过固定支架设置于所述物镜和所述金刚石NV色心自旋传感器之间，使得辐射结构不与所述金刚石NV色心自旋传感器和物镜接触。
3.根据权利要求1所述的量子宽场磁显微镜，金刚石NV色心自旋传感器长度不大于3mm，厚度不大于1mm，且一侧具有一斜切面，所述斜切面与水平方向夹角的角度在35-55度之间。
4.根据权利要求3所述的量子宽场磁显微镜，金刚石NV色心位于所述金刚石NV色心自旋传感器靠近待测样品的一侧，其将待测样品磁场信号通过量子效应转换为荧光信号。
5.根据权利要求1所述的量子宽场磁显微镜，探头模块还包括亥姆霍兹线圈，用于为待测样品施加大小和方向可调的均匀外磁场。
6.根据权利要求1所述的量子宽场磁显微镜，还包括同步控制模块，所述同步控制模块中包括任意序列发生器，其序列时间控制精度好于1μs，其输出通道数大于等于3个，分别发出控制信号以控制激光模块的输出开关、微波模块的输出开关、以及微波系统的设定频率列表播放。
7.根据权利要求6所述的量子宽场磁显微镜，所述设定频率列表中的频率在2-4GHz之间，设定频率列表中频率个数在10-200之间，频率间隔在10-1000KHz之间。
8.根据权利要求3所述的量子宽场磁显微镜，激发光路模块包括激光器、多模匀化光纤、角度可调的光束聚焦器，激光通过耦合装置耦合进多模匀化光纤中，再通过光束聚焦器将多模匀化光纤的激光聚焦照射于金刚石NV色心自旋传感器的斜切面，从而作用于具有金刚石NV色心的一侧，形成功率密度均匀的光斑。
9.根据权利要求6所述的量子宽场磁显微镜，所述荧光成像模块包括CCD或sCMOS类型的科研相机，科研相机的完成曝光准备与任意序列发生器的外触发接口相连接。
10.根据权利要求9所述的量子宽场磁显微镜，任意序列发生器的外触发接口与科研相机相的触发输出相连并能够接受触发脉冲信号，从而进行脉冲输出，脉冲输出序列表述为：
a、接收到触发脉冲后，控制激光模块的输出开关的通道和控制微波模块的输出开关的通道均为高电平，其他通道低电平，时间长度t与每帧曝光时间长度相同，或小于每帧的曝光时间，用于采集荧光信号，该过程循环n次，1≤n≤1000；
b、再次接收到触发脉冲后，控制激光模块的输出开关的通道为高电平，其他通道低电平，时间长于与t相同，用于采集荧光参考信号，该过程循环n次；
c、将a和b循环m次，1≤m≤1000；
d、控制微波模块的输出开关的通道为高电平，用于触发微波模块改变频率；
f、步骤a-d循环l次，l等于频率列表中频率个数的整数倍。
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