CN116292559B - 一种用于制备金刚石nv色心传感探头的装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于制备金刚石NV色心传感探头的装置及系统，其中，装置包括夹具、金刚石调节装置、点胶机构以及控制处理器。通过控制器控制金刚石调节装置以控制对金刚石的吸附、对金刚石接合位置的调整，以及控制点胶机构的胶合操作，以实现自动化接合，并且可精细化调整金刚石的位置，使得传感探头的制备效率高、一致性好、稳定性好，可量化生产。在制备装置与光学检测装置构成的制备系统中，可通过转动金刚石至不同位置，遍历金刚石NV轴向与磁场方向的不同夹角，并获取不同位置金刚石的磁场‑荧光响应曲线，选取所需灵敏度所对应的一个金刚石位置作为接合位置，即可制备出能快速获取探测灵敏度的探头。

Description

一种用于制备金刚石NV色心传感探头的装置及系统

技术领域

本发明涉及量子传感领域，特别是涉及一种用于制备金刚石NV色心传感探头的装置及系统。

背景技术

基于金刚石NV色心的传感器被广泛应用于量子传感领域，传感器的制备方式多采用将金刚石与光纤接合、与探针或例如玻璃材质的承载台进行接合的方式。现有技术中的基于金刚石NV色心的传感器的制备工艺多为手工制备，例如申请号为CN202110994982.0的专利中，通过粘结或熔接的方式将金刚石接合在光纤端面上，申请号为CN202011022322.8的专利中，通过涂覆的方式将掺杂了含有NV色心的纳米金刚石颗粒的溶胶-凝胶接合在光纤的端面上。

采用手工制备传感探头存在的问题在于制备效率低、一致性差、无法适用于工业化生产。另一方面，所采用的接合方法均为随机接合，随机接合后的传感器在使用过程中，其探测灵敏度往往无法满足测量需要，并且在多次使用过程中难以保证探测灵敏度的一致性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于制备金刚石NV色心传感探头的装置及系统，用于解决现有技术中采用手工制备传感探头存在制备效率低、一致性差、无法适用于工业化生产；以及手工随机接合的传感探头无法快捷、准确的获得所需探测灵敏度的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于制备金刚石NV色心传感探头的装置，包括：夹具、金刚石调节装置、点胶机构以及连接于所述金刚石调节装置、点胶机构的控制处理器；

夹具，用于夹持与含有NV色心的金刚石进行接合的待接合面所在的载体，并露出待接合面；

金刚石调节装置，用于吸附含有NV色心的金刚石，并在控制处理器的控制下调节所述金刚石的位置；

点胶机构，用于当金刚石被调节至所需要的接合位置时，在控制处理器的控制下向所述待接合面点胶，以将金刚石通过胶合方式接合在待接合面上。

进一步地，所述金刚石调节装置包括真空吸具、真空泵、第一调节机构，所述真空吸具连接于所述真空泵以及第一调节机构，真空吸具的吸附端用于吸附金刚石，第一调节机构用于通过控制真空吸具来调节金刚石的位置。

进一步地，所述点胶机构包括点胶机、固胶灯和第二调节机构，所述点胶机、固胶灯安装在所述第二调节机构上，所述第二调节机构用于控制所述点胶机的点胶端对向待接合面以及控制所述固胶灯在金刚石通过胶合方式接合在待接合面上后照射固化胶合处的胶。

进一步地，还包括显微机构，所述显微机构包括显微相机，所述显微相机位于待接合面的一侧，用于观察金刚石以及待接合面的位置。

进一步地，所述夹具包括两个夹持块，每个夹持块的内侧面上开有沿内侧面的轴向延伸的第一凹槽以及沿内侧面的横向方向延伸的第二凹槽，将两个夹持块的内侧面相向对接，可使得第一凹槽拼接成通孔结构，第二凹槽拼接成矩形腔结构。

进一步地，第一调节机构通过控制真空吸具来调节金刚石的位置，具体为以金刚石的几何中心为球坐标系原点，将金刚石绕原点沿方位角θ和极角φ的方向进行转动，每转动θ方向的一个步进，遍历φ方向的转动角度。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种用于制备金刚石NV色心传感探头的系统，所述系统包括如前任一所述的用于制备金刚石NV色心传感探头的装置以及光学检测装置，所述光学检测装置连接于所述控制处理器，在控制处理器的控制下，所述金刚石调节装置还用于转动金刚石至不同位置，直至根据预设的转动步进及转动范围，遍历金刚石NV轴向与磁场方向之间的不同夹角，所述光学检测装置用于在金刚石每转动至一个位置后，向所述金刚石照射激光以及施加方向不变、强度变化的磁场，并探测金刚石产生的荧光，以及将所施加的磁场信息以及探测的荧光信息发送给控制处理器，所述控制处理器还用于根据所述磁场信息以及荧光信息在一个坐标系中绘制不同金刚石位置所对应的磁场-荧光响应曲线，并使得所有曲线的在未施加磁场时的表示荧光的值相同，以及获取所有曲线的一阶导数。

进一步地，所述光学检测装置包括激光发生器、磁场组件、光电探测器、双色片、滤波片，所述激光发生器发射的激光经双色片反射后照射到金刚石上，并在磁场组件所施加的磁场作用下，金刚石产生荧光，所述荧光透过双色片后经滤波片过滤，再被光电探测器接收。

进一步地，光学检测装置还用于在金刚石每转动至一个位置后，且未向金刚石施加磁场时，调整所发射的激光强度以使得所探测到的荧光为一相同的初始值，并在保持此激光强度不变的条件下，改变磁场强度，探测金刚石产生的荧光。

进一步地，所施加的磁场方向垂直于待接合面。

如上所述，本发明的一种用于制备金刚石NV色心传感探头的装置及系统，具有以下有益效果：

1、通过控制器控制金刚石调节装置以控制对金刚石的吸附、对金刚石接合位置的调整，以及控制点胶机构的点胶操作，以实现自动化接合，并且可精细化调整金刚石的位置，使得传感探头的制备效率高、一致性好、稳定性好，可量化生产；

2、进一步地通过设置显微机构，可清晰观察到金刚石以及待接合面的位置，实现更直观、更精细的调节；

3、提供包含制备传感探头的装置以及光学检测装置所形成的系统，可通过转动金刚石的位置，以遍历NV轴向与磁场方向间的不同夹角，并获取不同位置金刚石的磁场-荧光响应曲线，以及在所有曲线的在未施加磁场时的表示荧光的值相同的条件下，获取所有曲线的一阶导数，每个一阶导数对应一个探测灵敏度，根据每个一阶导数所在曲线所对应的金刚石位置，可将金刚石调整至所需的探测灵敏度所对应的金刚石位置，由此，实现了制备出能够快速、准确获取所需探测灵敏度的探头；

4、进一步地，在每次调节金刚石的位置后，通过调节激光强度，将未施加磁场时的荧光值均调节至一相同的初始值，能够将影响探测金刚石荧光的多因素归一为NV色心轴向这一单一因素，有效降低噪音，提高探测的准确性，进一步保证了传感器探头制作的一致性。

附图说明

图1显示为本发明的用于制备金刚石NV色心传感探头的装置结构示意图；

图2显示为本发明的从图1中的A方向视角显示的第二调节机构的结构图；

图3显示为本发明的一实施例中的用于制备金刚石NV色心传感探头的系统结构示意图；

图4显示为本发明的不同金刚石位置的磁场-荧光响应曲线；

图5显示为本发明的另一实施例中的用于制备金刚石NV色心传感探头的系统结构示意图；

图6显示为本发明的夹具的正视图；

图7显示为本发明的夹具的俯视图。

元件标号说明：1—夹具；11—夹持块；12—第一凹槽；13—第二凹槽；2—金刚石调节装置；20—金刚石；21—真空吸具；22—真空泵；23—第一调节机构；3—点胶机构；31—点胶机；32—固胶灯；33—第二调节机构；331—转动组件；332—横向滑轨；333—横向滑块；334—竖向滑轨；335—竖向滑块； 4—控制处理器；5—显微机构；51—显微相机；52—第三调节机构；6—光学检测装置；61—激光发生器；62—磁场组件；63—光电探测器；64—双色片；65—滤波片；7—光纤；8—光纤耦合器；9—载玻片。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，本发明提供一种用于制备金刚石NV色心传感探头的装置，包括：夹具1、金刚石调节装置2、点胶机构3以及连接于金刚石调节装置2、点胶机构3的控制处理器4（未显示在图1中，见图3中所示）、显微机构5。其中，夹具1，用于夹持待接合面所在的载体；金刚石调节装置2包括真空吸具21、真空泵22、第一调节机构23，真空吸具21连接于真空泵22以及第一调节机构23，真空吸具21的吸附端用于吸附含有NV色心的金刚石，吸附端为微米级针吸结构，第一调节机构23用于在控制处理器4的控制下通过控制真空吸具21来调节金刚石的位置；点胶机构3包括点胶机31、固胶灯32和第二调节机构33，点胶机31、固胶灯32安装在第二调节机构33上，第二调节机构33用于在控制处理器4的控制下控制点胶机31的点胶端对向待接合面以及控制固胶灯32在金刚石通过胶合方式接合在待接合面上后照射固化胶合处的胶。

待接合面的载体可以为光纤或探针或承载台。如图1所示，以将金刚石与光纤接合制备传感探头为例，采用上述装置进行传感探头制备的方法为：将光纤夹持在夹具1中，并露出待接合面，真空吸具21的吸附端吸附金刚石，控制处理器4控制第一调节机构23调节金刚石至一所需的接合位置后，再控制第二调节机构33调节点胶机31的点胶端对向待接合面，将胶点出在待接合面上，再在上下方向上移动金刚石至与待接合面的点胶处相接触进行胶合，控制固胶灯32照射固化胶合处的胶，真空吸具21释放对金刚石的吸附，并从夹具1中取出光纤，传感探头即制备完成。本申请提供的制备装置通过控制处理器控制金刚石的接合位置以及点胶操作，以实现自动化接合，并且可精细化调整金刚石的位置，使得传感探头的制备效率高、一致性好、稳定性好，可量化生产。

如图1所示，还包括显微机构5，其包括显微相机51，其位于待接合面的一侧，用于观察金刚石以及待接合面的位置，实现更直观、更精细的调节。

如图1-图2所示，第二调节机构33包括转动组件331、横向移动组件、竖向移动组件，点胶机31安装在转动组件331上，转动组件331、固胶灯32均安装在竖向移动组件上，可沿竖向移动组件的竖向方向移动，转动组件331可在竖向移动组件所在的平面内转动，竖向移动组件安装在横向移动组件上，可沿横向移动组件的横向方向移动。

进一步地，横向移动组件包括横向滑轨332、横向滑块333，竖向移动组件包括竖向滑轨334、竖向滑块335。点胶机31安装在转动组件331上，转动组件331通过一转轴或转动盘可转动地连接在竖向滑块335上，固胶灯32固定连接在竖向滑块335上，竖向滑块335沿竖向滑轨334移动；竖向移动组件固定连接在横向滑块333上，横向滑块333沿横向滑轨332移动。在采用自动化移动时，滑块沿滑轨的自动移动可采用螺旋传动或同步带传动或齿轮传动等驱动结构来实现，控制处理器4通过控制驱动结构来驱动滑块的移动。如图1所示，为更精细的观察金刚石以及待接合面的位置，显微相机51设置为两个，分别位于待接合面的上方和侧方，显微机构5还包括与每个显微相机51一一对应连接的第三调节机构52，用于调节显微相机51相对待接合面的位置。如图1所示，位于上方的显微相机51通过第三调节机构52安装在横向滑块333上。优选的，第三调节机构52采用三维微位移调节装置，可实现xyz三轴向微位移调节，亦可在显微相机51与第三调节机构52之间安装转动盘，实现显微相机51的转动调节。

在一实施例中，如图2所示，竖向移动组件、位于待接合面上方的第三调节机构52分别固定连接在两个不同的横向滑块333上，以实现分别的横向调整。

制备装置的操作方法为：在控制处理器4的控制下，沿横向移动组件的横向方向移动第一显微相机51，至金刚石的上方，通过第三调节机构52调节显微相机51与金刚石的距离，并调整显微相机51的焦距与放大倍数，使得能够清晰观察到金刚石以及待接合面的位置；通过控制处理器4控制第一调节机构23调节金刚石至一所需的接合位置后，再沿横向移动组件的横向方向以及沿竖向移动组件的竖向方向移动点胶机31至靠近金刚石，并旋转转动组件331使得点胶机31的点胶端对向待接合面，开启点胶机31的点胶操作，将胶点出在待接合面上，再在上下方向上通过第一调节机构23移动金刚石至与待接合面的点胶处相接触进行胶合，打开固胶灯32，照射固化胶合处的胶。

本申请还提供一种用于制备金刚石NV色心传感探头的系统，如图3所示，包括如图1所示的用于制备金刚石NV色心传感探头的装置，以及光学检测装置6，光学检测装置6连接于控制处理器4，光学检测装置6包括激光发生器61、磁场组件62、光电探测器63、双色片64、滤波片65，在控制处理器4的控制下，金刚石调节装置2还转动金刚石至不同位置，直至遍历金刚石NV轴向与磁场方向之间的不同夹角，光学检测装置6在金刚石每转动至一个位置后，向金刚石照射激光以及施加方向不变、强度变化的磁场，并探测金刚石产生的荧光，所施加的磁场信息以及探测的荧光信息传入控制处理器4，由控制处理器4在一个坐标系中绘制不同位置所对应的磁场-荧光响应曲线，并使得所有曲线的在未施加磁场时的表示荧光的值相同，以及获取所有曲线的一阶导数。

如图4所示，在遍历金刚石NV轴向与磁场方向之间的不同夹角后，在同一个坐标系中绘制磁场-荧光响应曲线，并获取所有曲线的一阶导数，每个一阶导数对应一个探测灵敏度，根据每个一阶导数所在曲线所对应的金刚石位置，可将金刚石调整至所需的探测灵敏度所对应的金刚石位置，向金刚石施加此一阶导数处所对应的磁场方向以及磁场强度，由此，实现了制备出能够快速、准确获取所需探测灵敏度的探头。

如图3所示，是以光纤端面作为待接合面的一实施例，光纤7的一端被夹具1所夹持，另一端的端面露出，激光发生器61发射的激光被双色片64反射后，经光纤耦合器8进入光纤的另一端，并由光纤7的待接合面射出，照射到金刚石20，并在磁场作用下，金刚石20产生的荧光再经光纤7的待接合面进入光纤中，并从光纤耦合器8传出后经双色片64透射后经滤波片65滤波，再被光电探测器63接收。所采用的磁场组件62包括亥姆霍兹线圈，通过调节电流变化来改变磁场强度，如图3所示的实施例中，磁场方向垂直于光纤端面。

进一步地，在金刚石每转动至一个位置后，通过调节激光强度，将未施加磁场时的荧光值均调节至一相同的初始值，并在保持此激光不变的条件下，对金刚石施加不同强度的磁场以探测荧光，能够将影响探测金刚石荧光的多因素归一为NV色心轴向这一单一因素。或者，当所获取的所有磁场-荧光响应曲线的在未施加磁场时的表示荧光的值不全相同时，对同一条磁场-荧光响应曲线中表示荧光的值进行同比例调整，例如同一条曲线的荧光值均乘以同一个调整系数，使得所有曲线的在未施加磁场时的表示荧光的值相同。由此，均能够有效降低噪音，提高探测的准确性，进一步保证了传感器探头制作的一致性。

所施加的磁场方向为垂直于待接合面，在制备好探头后，仅需以待接合面为参考施加垂直于待接合面的磁场方向即可快速获取所需的探测灵敏度，所制备的探头在重复使用中能够保证灵敏度获取效果的一致性，适用于量化生产。同时选取所有曲线的一阶导数绝对值中的最大值，将其所对应的金刚石位置作为探测位置，可获取最大的探测灵敏度。

在图3所示的实施例中，所采用的金刚石为规则的长方体结构，通过显微相机51观察被真空吸具21所吸附后的位置，确定其几何中心，并将其作为第一调节机构23旋转操作的旋转中心，第一调节机构23采用六维电动调节机构，可实现三轴的微位移移动以及以空间一点为旋转中心的角度旋转，旋转精度可达0.01度。调节方式为：以金刚石的几何中心为球坐标系原点，将金刚石绕原点沿方位角θ和极角φ的方向进行转动，每转动θ方向的一个步进，遍历φ方向的转动角度，θ、φ方向的转动范围分别为0-360度、0-180度。优选的，对于系综金刚石NV色心，θ、φ方向的转动范围分别为0-90度、0-45度，可遍历金刚石NV轴向与磁场方向的不同夹角，亦可选取所需探测灵敏度所对应的转动范围。转动方式为：先进行粗转动，例如设置每个方向的转动步进为1度，在绘制的磁场-荧光响应曲线中，选择接近所需灵敏度的一个一阶导数所在的一条曲线，将金刚石调节至此曲线所对应的一个金刚石位置，再在此位置处进行细转动，例如设置每个方向的转动步进为0.01度，每个方向的转动范围为±1度，再增加细转动的磁场-荧光响应曲线。

金刚石的调节范围以其沿激光发射方向在待接合面上的投影在接合面边界内，优选地，将金刚石的几何中心与接合面的几何中心在上下方向上对齐。

如图5所示，是以承载台的台面作为待接合面的一实施例，图5中的承载台为载玻片9，载玻片9被夹持在夹具1中，从金刚石的上方照射激光。如图6-图7所示，为夹具1的结构示意图，夹具1由两个夹持块11构成，每个夹持块11的内侧面上开有沿内侧面的轴向延伸的第一凹槽12以及沿内侧面的横向方向延伸的第二凹槽13，将两个夹持块11的内侧面相向对接，可使得第一凹槽12拼接成通孔结构，第二凹槽13拼接成矩形腔结构，所拼接成的通孔可用于夹持光纤或探针，所拼接成的矩形腔结构可用于夹持例如载玻片这样的承载体，并且，将两个夹持块11的外侧面相向放置，可用于夹持侧面为平面的载体。本发明所设计的夹具可实现对不同类型的载体的夹持，且可灵活变化，具有较强的普适性。

如图1所示，夹具1还包括第四调节机构14，可选用三维电动调节机构，实现夹具的三维微位移移动。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种用于制备金刚石NV色心传感探头的系统，其特征在于，所述系统包括：夹具（1）、金刚石调节装置（2）、点胶机构（3）、光学检测装置（6）以及连接于所述金刚石调节装置（2）、点胶机构（3）、光学检测装置（6）的控制处理器（4）；

夹具（1），用于夹持与含有NV色心的金刚石进行接合的待接合面所在的载体，并露出待接合面；

金刚石调节装置（2），用于吸附含有NV色心的金刚石，并在控制处理器（4）的控制下转动金刚石至不同位置，直至根据预设的转动步进及转动范围，遍历金刚石NV轴向与磁场方向之间的不同夹角，转动方法为以金刚石的几何中心为球坐标系原点，将金刚石绕原点沿方位角θ和极角φ的方向进行转动，每转动θ方向的一个步进，遍历φ方向的转动角度；所述光学检测装置（6）用于在控制处理器（4）的控制下，当金刚石每转动至一个位置后，向所述金刚石照射激光以及施加方向不变、强度变化的磁场，并探测金刚石产生的荧光，以及将所施加的磁场信息以及探测的荧光信息发送给控制处理器（4），所述控制处理器（4）还用于根据所述磁场信息以及荧光信息在一个坐标系中绘制不同金刚石位置所对应的磁场-荧光响应曲线，并使得所有曲线的在未施加磁场时的表示荧光的值相同，以及获取所有曲线的一阶导数；

金刚石调节装置（2）还用于在控制处理器（4）的控制下，将金刚石调节至所选取的一个一阶导数所在曲线所对应的任一个金刚石位置，此调节后的金刚石位置为接合位置；

点胶机构（3），用于当金刚石被调节至所需要的接合位置时，在控制处理器（4）的控制下向所述待接合面点胶，以将金刚石通过胶合方式接合在待接合面上。

2.根据权利要求1所述的用于制备金刚石NV色心传感探头的系统，其特征在于：所述金刚石调节装置（2）包括真空吸具（21）、真空泵（22）、第一调节机构（23），所述真空吸具（21）连接于所述真空泵（22）以及第一调节机构（23），真空吸具（21）的吸附端用于吸附金刚石，第一调节机构（23）用于通过控制真空吸具（21）来转动金刚石至不同的位置。

3.根据权利要求1所述的用于制备金刚石NV色心传感探头的系统，其特征在于：所述点胶机构（3）包括点胶机（31）、固胶灯（32）和第二调节机构（33），所述点胶机（31）、固胶灯（32）安装在所述第二调节机构（33）上，所述第二调节机构（33）用于控制所述点胶机（31）的点胶端对向待接合面，以及控制所述固胶灯（32）在金刚石通过胶合方式接合在待接合面上后照射固化胶合处的胶。

4.根据权利要求1所述的用于制备金刚石NV色心传感探头的系统，其特征在于：还包括显微机构（5），所述显微机构（5）包括显微相机（51），所述显微相机（51）位于待接合面的一侧，用于观察金刚石以及待接合面的位置。

5.根据权利要求1所述的用于制备金刚石NV色心传感探头的系统，其特征在于：所述夹具（1）包括两个夹持块（11），每个夹持块（11）的内侧面上开有沿内侧面的轴向延伸的第一凹槽（12）以及沿内侧面的横向方向延伸的第二凹槽（13），将两个夹持块（11）的内侧面相向对接，可使得第一凹槽（12）拼接成通孔结构，第二凹槽（13）拼接成矩形腔结构。

6.根据权利要求1所述的用于制备金刚石NV色心传感探头的系统，其特征在于：所述光学检测装置（6）包括激光发生器（61）、磁场组件（62）、光电探测器（63）、双色片（64）、滤波片（65），所述激光发生器（61）发射的激光经双色片（64）反射后照射到金刚石上，并在磁场组件（62）所施加的磁场作用下，金刚石产生荧光，所述荧光透过双色片（64）后经滤波片（65）过滤，再被光电探测器（63）接收。

7.根据权利要求1所述的用于制备金刚石NV色心传感探头的系统，其特征在于：光学检测装置（6）还用于在金刚石每转动至一个位置后，且未向金刚石施加磁场时，调整所发射的激光强度以使得所探测到的荧光为一相同的初始值，并在保持此激光强度不变的条件下，改变磁场强度，探测金刚石产生的荧光。

8.根据权利要求1所述的用于制备金刚石NV色心传感探头的系统，其特征在于：所施加的磁场方向垂直于待接合面。