CN116297379B - 金刚石nv色心探测位置的确定方法及探头的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供金刚石NV色心探测位置的确定方法及探头的制备方法，其中，探测位置确定方法为：转动金刚石至不同位置，并获取每个位置所对应的磁场‑荧光响应曲线，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，任一一阶导数对应至少一个金刚石位置，由此，可获取所需探测灵敏度的探测位置。基于此确定方法可制备能够快速获取所需探测灵敏度的传感探头。并且，在获取不同位置的磁场‑荧光响应曲线时，通过调整激光强度，使得金刚石在未施加磁场时所产生的荧光值均为一相同的初始值，能够降低在调节过程中其他噪音的影响，提高NV色心探测的准确性、一致性。

Description

金刚石NV色心探测位置的确定方法及探头的制备方法

技术领域

本发明涉及量子传感领域，特别是涉及金刚石NV色心探测位置的确定方法及探头的制备方法。

背景技术

金刚石的晶格结构是两个由碳原子组成的面心立方结构互相嵌套而组成，每个碳原子与相邻的四个碳原子之间形成共价键，从而形成正四面体结构。金刚石内部的一对相邻碳原子被氮原子和空穴取代形成稳定的N-V结构，该结构被称为NV色心。空穴与氮原子的连线所在的方向被称为NV色心的主轴方向，由于金刚石中的碳原子晶胞结构有四种不同方向的共价键，因此金刚石中的NV色心点缺陷也有四种不同的主轴方向。

由于NV色心可在激光和微波的作用下灵活地实现自旋操作，因此被广泛应用于精密测量领域。基于金刚石NV色心的精密测量较多的是基于对磁场的测量，但是由于磁场是个矢量场，金刚石的NV轴向与磁场方向之间存在夹角关系，影响着探头的探测灵敏度，不同的探测灵敏度对测量的精准度产生着重要的影响。实际测量中，金刚石的位置是随意设置的，往往无法获得所需的探测灵敏度，且每次测量的金刚石位置也存在不一致性，使得每次测量的探测灵敏度的一致性也比较差。

针对上述不足，需要提供一种能够准确、快捷的确定金刚石NV色心的探测位置的方法，以满足所需灵敏度的需要，以及制备能够快速、精准获取所需探测灵敏度的传感探头的方法。

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金刚石NV色心探测位置的确定方法及探头的制备方法，用于解决现有技术中无法准确、快捷的获取所需探测灵敏度的金刚石位置以及所制备的传感探头无法快速、精准获取所需探测灵敏度的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种金刚石NV色心探测位置的确定方法，包括：

S1，获取含有NV色心的金刚石的初始位置；

S2，向金刚石照射激光，并施加方向不变、强度变化的磁场，探测在所施加的不同磁场强度下，金刚石所产生的荧光，并获取磁场-荧光响应曲线；

S3，转动金刚石，每转动至一个位置，重复步骤S2，直至根据预定的转动步进与转动范围，遍历金刚石NV轴向与磁场方向之间的不同夹角，并记录金刚石每次转动的位置，在同一坐标系中绘制不同金刚石位置的磁场-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；

S4，获取所有曲线的一阶导数，每个点处的一阶导数对应一个探测灵敏度，任一一阶导数所在的曲线所对应的任一个金刚石位置可作为能够获取相应探测灵敏度的探测位置。

进一步地，步骤S2中，在未施加磁场时，通过调整激光强度，使得探测到的金刚石所产生的荧光为一相同的初始值，再在保持此激光强度不变的条件下，对金刚石施加方向不变、强度变化的磁场。

进一步地，步骤S3中，当所有磁场-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，使得所有曲线的在未施加磁场时的表示荧光的值相同。

进一步地，所述步骤S3中转动金刚石的方法为以金刚石的几何中心为原点建立球坐标系，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。

进一步地，所述θ、φ方向的转动范围分别为0-90度、0-45度。

进一步地，步骤S3中，通过选定金刚石上的一参考面或参考线或参考点，采用参考面或参考线或参考点在以金刚石几何中心为原点的球坐标系中的坐标来表示金刚石的位置。

进一步地，步骤S3中，通过记录金刚石的转动路径来表示金刚石的位置。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种金刚石NV色心传感探头的制备方法，所述制备方法包括：采用如前任一所述的金刚石NV色心探测位置的确定方法，来确定金刚石的探测位置；并且，在步骤S1中，还将含有NV色心的金刚石置于待接合面的上方；还包括步骤S5，选取步骤S4中所获取的一阶导数中的一个，将此一阶导数所在的曲线所对应的任一个金刚石位置作为探测位置，并将金刚石调节至此探测位置，在保持金刚石NV轴向与磁场方向之间的夹角关系不变的同时将金刚石接合至待接合面上；还包括步骤S6，对接合后的金刚石重复步骤S2，并在保持曲线的在未施加磁场时的表示荧光的值相同的条件下，检验所获取的磁场-荧光响应曲线是否与所选取的曲线相同；若检验结果为不相同，则将金刚石从接合面分离出，并重复步骤S5；若检验结果为相同，则完成探头的制备。

进一步地，所述步骤S2中所施加的磁场方向为垂直于所述待接合面。

进一步地，所述步骤S5中所选取的一阶导数为所有曲线的一阶导数绝对值中的最大值。

如上所述，本发明的金刚石NV色心探测位置的确定方法及探头的制备方法，具有以下有益效果：

1、通过转动金刚石以使得金刚石的NV轴向与磁场方向呈不同夹角，并获取每个转动位置所对应的磁场-荧光响应曲线，在曲线的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，每个点处的一阶导数对应一个探测灵敏度，任一一阶导数对应至少一个金刚石位置，由此，可获取所需探测灵敏度的探测位置，此方法快捷、精准度高、一致性好；

2、并且，在获取不同位置的磁场-荧光响应曲线时，通过调整激光强度，使得金刚石在未施加磁场时所产生的荧光值均为一相同的初始值，一方面能够降低在调节过程中其他噪音的影响，提高NV色心探测的准确性、一致性，另一方面，可简化曲线数据的处理过程，提高方法的快捷性；

3、基于NV色心探测位置的确定方法，制备金刚石NV色心传感探头，具有操作简单、准确性高的优点，能够制备出可快捷、准确的获取所需灵敏度的传感器，解决了现有技术中的NV色心探头的探测灵敏度无法快速获取的问题；

4、设置所施加的磁场方向垂直于待接合面，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，此方法在探头的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。

附图说明

图1显示为本发明的金刚石NV色心探测位置的确定方法流程图；

图2显示为本发明的金刚石NV色心传感探头的制备方法流程图；

图3显示为本发明的用于制备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-荧光响应曲线示意图。

元件标号说明：1—金刚石；2—夹具；3—光纤；4—真空吸具；5—真空泵；6—显微相机；7—调节机构；8—激光发生器；9—亥姆霍兹线圈；10—双色片；11—光纤耦合器；12—滤波片；13—光电探测器；14—处理器；15—点胶机。

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。

本发明提供一种金刚石NV色心探测位置的确定方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1，获取含有NV色心的金刚石的初始位置；

S2，向金刚石照射激光，并施加方向不变、强度变化的磁场，探测在所施加的不同磁场强度下，金刚石所产生的荧光，获取磁场-荧光响应曲线；

S3，转动金刚石，每转动至一个位置，重复步骤S2，直至根据预定的转动步进与转动范围，遍历金刚石NV轴向与磁场方向之间的不同夹角，并记录金刚石每次转动的位置，在同一坐标系中绘制不同金刚石位置的磁场-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；

S4，获取所有曲线的一阶导数，每个点处的一阶导数对应一个探测灵敏度，任一一阶导数所在的曲线所对应的任一个金刚石位置可作为能够获取相应探测灵敏度的探测位置。

对于系综NV色心，其NV轴向为四个，通过调整NV轴向与磁场方向之间的夹角，获取磁场-荧光响应曲线，如图4所示，其曲线的一阶导函数绝对值呈先增大再减小的趋势，灵敏度也随之先增大再减小。从一阶导数中选择一个，再将其所在的曲线所对应的一个金刚石的位置作为探测位置，则在此探测位置施加相同磁场方向以及一阶导数点处所对应的磁场值即可获取此一阶导数所对应的探测灵敏度。

基于上述金刚石NV色心探测位置确定的方法，本发明还提出了金刚石NV色心传感探头的制备方法，如图2所示，具体为，在步骤S1中，还将含有NV色心的金刚石置于待接合面的上方；并在采用上述的金刚石NV色心探测位置的确定方法确定金刚石的探测位置后，还进行如下步骤：步骤S5，选取步骤S4中所获取的一阶导数中的一个，将此一阶导数所在的曲线所对应的任一个金刚石位置作为探测位置，并将金刚石调节至此探测位置，并在保持金刚石NV轴向与磁场方向之间的夹角关系不变的同时将金刚石接合至待接合面上；步骤S6，对接合后的金刚石重复步骤S2，并在保持曲线的在未施加磁场时的表示荧光的值相同的条件下，检验所获取的磁场-荧光响应曲线是否与所选取的曲线相同；若检验结果为不相同，则将金刚石从接合面分离出，并重复步骤S5；若检验结果为相同，则完成探头的制备。

含有NV色心的金刚石可以接合在光纤的端面或探针的端面或承载台的台面上，则光纤的端面或探针的端面或承载台的台面即为待接合面。

在一实施例中，采用如图3所示的系统完成金刚石NV轴向的确定以及金刚石与光纤端面的接合，步骤S1中，采用夹具2夹持光纤3，并露出光纤的待接合面31，采用真空吸具4的吸附端将金刚石1吸附在光纤的待接合面31的上方，吸附端为微米级针吸结构，金刚石1距离待接合面的距离为0.1-1mm，优选为0.5mm，在此范围内以保证金刚石接合前后的一致性。本实施例中的金刚石为规则的长方体结构，将金刚石的几何中心在待接合面上的投影与待接合面的几何中心重合，以确保金刚石在转动时沿激光方向的投影始终处于待接合面的边界范围内，以降低由于位置改变致使光路条件改变带来的测量误差。

为进一步精准获取金刚石以及待接合面的位置，在金刚石上方设置显微相机6，通过调节显微相机的放大倍率及焦距，确保清晰观察到金刚石以及光纤待接合面的位置，对于金刚石位置的获取，可通过显微相机观察金刚石，选定金刚石上的一参考面或参考线或参考点，采用参考面或参考线或参考点在以金刚石几何中心为原点的球坐标系中的坐标来表示。优选地，以金刚石已知的[100]晶向为参考线。如图3所示，通过与真空吸具4相连接的调节机构7调节金刚石的位置。

由于转动调节金刚石的位置后，会引入除NV色心轴向外的其他影响荧光探测的因素，比如金刚石不同位置所产生的耦合效率、激光光路变化、激光激发效率、荧光产生效率、荧光收集效率等因素的变化，以及因接合而带来的结构的变化都会给荧光的探测带来噪音。本申请在步骤S2中，通过调整激光强度，使得金刚石在未施加磁场时所探测的荧光值均为一相同的初始值，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。或者，在步骤S3中，当所有磁场-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。由此都能够降低在转动过程中以及接合后其他噪音的影响，提高NV色心轴向确定的准确性、进一步保证传感器探头制作的一致性。

如图3所示，通过激光发生器8向金刚石照射532nm的激光，激光经双色片10反射后由光纤耦合器11进入光纤3中，并照射金刚石1，金刚石1产生的荧光经光纤3传出并经双色片10透射后经滤波片12过滤，再被光电探测器13接收，数据传入处理器14中进行曲线的绘制。

采用亥姆霍兹线圈9为金刚石施加磁场，磁场方向不变，通过调节电流值来改变磁场值。

步骤S3中，采用调节机构7调节金刚石的位置，具体调节方法为：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；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，亦可根据探测灵敏度的需要选择相应的转动范围。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。所采用的调节机构为六维电动调节机构，能够实现高精度调节，精度可达0.01度。调整完后获得在同一坐标系中如图4所示的不同金刚石位置的磁场-荧光响应曲线，每条曲线对应一个金刚石位置。

对于金刚石位置的记录，可以通过记录金刚石上的一参考面或参考线或参考点在球坐标系中的位置；亦可通过记录转动过程的转动路径，在返回某一位置时，采用沿原路径逆向返回的方式实现。

在步骤S2中，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，此方法在探头的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。优选的，步骤S5中所选取的一阶导数为所有曲线的一阶导数绝对值中的最大值，在由此最大值所对应的金刚石的探测位置处，可获取最大的探测灵敏度。

本实施例中的接合方式为通过胶合方式将金刚石结合在待接合面上，具体为：

第一种方法：保持金刚石NV轴向与磁场方向之间的夹角关系不变，通过调节机构调节金刚石在上下方向上远离待接合面一预设距离，比如1mm；例如磁场方向为垂直于待接合面的上下方向，在将金刚石调整为所选取的位置后，仅调整金刚石的上下方向，金刚石的NV轴向与磁场方向之间的夹角关系不变。再使用如图3所示的点胶机15的点胶端在待接合面的接合点处点光学胶，例如UV胶，控制调节机构在上下方向上移动金刚石将金刚石移动至与接合面的接合点处相接触，采用紫外灯对UV胶进行照射固化。

第二种方法：在将金刚石调整至所选位置后，直接采用点胶机15的点胶端在待接合面与金刚石之间点UV胶，以将金刚石接合至待接合面上，由此保证了金刚石NV轴向与磁场方向之间的夹角不变，再采用紫外灯对UV胶进行照射固化。

在一实施例中，亦可采用上述实施例中的制备方法与系统完成金刚石NV色心与探针端面或承载台台面的接合，所不同的是在将金刚石接合至承载台例如载玻片上时，激光需要从金刚石的上方照射，以保证与探头使用时的照射条件相同。

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 (9)

1.一种金刚石NV色心探测位置的确定方法，其特征在于，所述确定方法包括：

S1，获取含有NV色心的金刚石的初始位置；

S2，向金刚石照射激光，并施加方向不变、强度变化的磁场，探测在所施加的不同磁场强度下，金刚石所产生的荧光，并获取磁场-荧光响应曲线；

S3，转动金刚石，每转动至一个位置，重复步骤S2，直至根据预定的转动步进与转动范围，遍历金刚石NV轴向与磁场方向之间的不同夹角，并记录金刚石每次转动的位置，转动金刚石的方法为以金刚石的几何中心为原点建立球坐标系，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；在同一坐标系中绘制不同金刚石位置的磁场-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；

S4，获取所有曲线的一阶导数；

S5，选取步骤S4中所获取的一阶导数中的一个，将此一阶导数所在的曲线所对应的任一个金刚石位置作为探测位置，则在此探测位置施加相同磁场方向以及此一阶导数点处所对应的磁场值即可获取此一阶导数所对应的探测灵敏度。

2.根据权利要求1所述的金刚石NV色心探测位置的确定方法，其特征在于：步骤S2中，在未施加磁场时，通过调整激光强度，使得探测到的金刚石所产生的荧光为一相同的初始值，再在保持此激光强度不变的条件下，对金刚石施加方向不变、强度变化的磁场。

3.根据权利要求1所述的金刚石NV色心探测位置的确定方法，其特征在于：步骤S3中，当所有磁场-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，使得所有曲线的在未施加磁场时的表示荧光的值相同。

4.根据权利要求1所述的金刚石NV色心探测位置的确定方法，其特征在于：所述θ、φ方向的转动范围分别为0-90度、0-45度。

5.根据权利要求1所述的金刚石NV色心探测位置的确定方法，其特征在于：步骤S3中，通过选定金刚石上的一参考面或参考线或参考点，采用参考面或参考线或参考点在以金刚石几何中心为原点的球坐标系中的坐标来表示金刚石的位置。

6.根据权利要求1所述的金刚石NV色心探测位置的确定方法，其特征在于：步骤S3中，通过记录金刚石的转动路径来表示金刚石的位置。

7.一种金刚石NV色心传感探头的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：采用如权利要求1至6中任一项所述的金刚石NV色心探测位置的确定方法，来确定金刚石的探测位置；并且，在步骤S1中，还将含有NV色心的金刚石置于待接合面的上方；步骤S5中还将金刚石调节至所述探测位置，在保持金刚石NV轴向与磁场方向之间的夹角关系不变的同时将金刚石接合至待接合面上；还包括步骤S6，对接合后的金刚石重复步骤S2，并在保持曲线的在未施加磁场时的表示荧光的值相同的条件下，检验所获取的磁场-荧光响应曲线是否与所选取的曲线相同；若检验结果为不相同，则将金刚石从接合面分离出，并重复步骤S5；若检验结果为相同，则完成探头的制备。

8.根据权利要求7所述的金刚石NV色心传感探头的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中所施加的磁场方向为垂直于所述待接合面。

9.根据权利要求7所述的金刚石NV色心传感探头的制备方法，其特征在于：所述步骤S5中所选取的一阶导数为所有曲线的一阶导数绝对值中的最大值。