CN116499604A - 基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计及测量方法，主要包括：第一三维精密样品台、第二三维精密样品台、显微物镜、笼式结构光机组件、激光器、多模光纤、二向色镜、滤光片、成像CCD、电磁铁、微波源、光电探测器、Lock‑in锁相放大系统、微波源、合束器、脉冲卡、计算机等。显微镜光学系统采用稳定易搭建的笼式系统，由笼式结构光机组件组装而成，用于对样品的激发和对荧光的高效收集；脉冲卡和计算机系统用于样品色心的相干操控；多模光纤用于空间滤波；光电探测器实现荧光探测。本发明具有集成度高、占用体积小、易于组装和调试、高灵敏度、温度测量范围广、适用范围广等优点。本发明可以用于宽温度范围的高灵敏度温度测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学及量子相干操纵技术以及其应用于温度测量的技术，尤其涉及一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计及测量方法。
背景技术
高灵敏度的纳米级温度计对各个科学和技术领域都具有重要意义。包括扫描热显微镜、拉曼光谱和荧光蛋白测温在内的多种传统方法已被广泛应用于生物科学、材料和电子设备的微尺度温度检测。然而，这些方法存在灵敏度低或荧光不稳定的问题。
在过去的几十年里，金刚石中的色心已经被开发为高灵敏度的纳米级量子温度计。基于色心的温度计的原理是依赖于温度的零场分裂(ZFS)和荧光光谱。它们表现出许多优点，如高灵敏度、宽的温度检测范围、超稳定的荧光和生物相容性等。最近，使用混合金刚石纳米温度计，温度感应灵敏度已经提高到约100μK/Hz1/2。金刚石温度计在生物科学领域有一系列的温度检测应用，如活细胞和热能神经刺激，纳米级热导率成像，以及包括半导体设备和共面波导热成像在内的电子学领域。然而，金刚石中的激发激光和色心的荧光都在可见光范围内，这将导致较大的自发荧光和活细胞的光吸收。此外，对于电子学中的温度测量，金刚石应该被涂在电子器件上，这在现场很难检测到电子器件的温度。金刚石价格昂贵且难以制造，这限制了金刚石温度计的广泛应用。
碳化硅是一种在微电子装置中具有广泛用途的半导体。它有成熟的英寸级生长和制造技术，这为基于SiC的量子传感的应用提供了便利。近年来，在SiC中观察到了各种色心，它们可以分为两种类型：明亮的单光子发射器和自旋量子。有三种类型的自旋量子比特，包括双空位，硅空位和NV色心，其自旋状态可以分别由激光和微波进行偏振和控制。4H碳化硅双空位色心是指在4H碳化硅晶格中同时缺少一个碳原子和一个硅原子形成的缺陷，其荧光波长在1000nm-1400nm的近红外波段，是一个总自旋磁矩为S＝1的三能级系统。通过光磁共振(ODMR)，我们在4H碳化硅样品中可以找到PL5、PL6、PL7等双空位色心，其中PL5的零场分裂与温度相关。作为一种有益的补充，碳化硅(SiC)中的色心已被用作温度计。但是之前采用的方法得到的灵敏度很低，限制了此种温度计的应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计及测量方法，其为基于4H碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，显微镜光学系统采用稳定易搭建的笼式系统，由笼式结构光机组件组装而成，用于对样品的激发和对荧光的高效收集；脉冲卡和计算机系统用于样品色心的相干操控；多模光纤用于空间滤波；光电探测器实现荧光探测。本发明可以用于宽温度范围的高灵敏度温度测量。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，包括第一三维精密样品台、第二三维精密样品台、显微物镜、笼式结构光机组件、激光器、声光调制器、多模光纤、二向色镜、滤光片、成像CCD、反射镜、电磁铁、光电探测器、Lock-in锁相放大系统、微波源、合束器、脉冲卡和计算机；其中：
所述第一三维精密样品台实现对样品的固定及位置调节；用螺栓固定在光学平台表面，位于笼式系统的底部；
所述显微物镜实现对用于激发样品的入射激光的聚焦，以及对样品发出荧光的收集，位于第一三维精密样品台的上部；
所述笼式结构光机组件实现对各光学元件的固定和连接，组装笼式系统；
所述激光器用于样品的光学激发，所发出激光通过多模光纤耦合到笼式系统的激光入射模块；
所述声光调制器通过脉冲电信号实现对激光的调制，使激光器发出的激光变成时序的激光；
所述多模光纤收集及传输激光器所发出的激光；
所述二向色镜实现对入射激光的反射以及透过荧光，形成分光作用；
所述滤光片过滤入射激光信号以提高激发效率，及过滤透过的荧光信号，增强荧光信号的信噪比；
所述成像CCD用于对样品表面进行成像，从而确定激发位置；
所述反射镜用于反射荧光和激光；
所述电磁铁用于产生轴向有限磁场；
所述光电探测器实现荧光计数；
所述Lock-in锁相放大系统实现对输入的电信号的锁相放大，并将信号传输到计算机中；
所述微波源用于产生微波；
所述合束器用于耦合两路不同的微波；
所述脉冲卡通过计算机控制四路脉冲信号；
所述计算机用于处理经过Lock-in锁相放大系统放大的电信号，以及传递脉冲信号给微波开关。
进一步地，所述电磁铁位于第二三维精密样品台上，在样品下方紧贴样品，产生稳定的轴向有限磁场。
进一步地，所述激光器的中心波长为914nm。
进一步地，所述滤光片有两个，一个用于过滤激光，是长通1000nm滤光片；一个用于过滤荧光，为短通950nm滤光片。
进一步地，所述光电探测器与Lock-in锁相放大系统之间、Lock-in锁相放大系统与计算机之间、计算机与微波源之间都通过电缆连接。
进一步地，所述笼式结构光机组件组成的笼式系统分为右部激光入射模块和上部荧光收集模块，且两个模块在物理结构上相互垂直。
进一步地，所述荧光收集模块顶部有光纤转接头，多模光纤一头耦合光线转接头，一头连接光电探测器，实现荧光的收集与传输。
本发明还提供一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计的测量方法，包括：首先激光器发出的激光通过激光入射模块尾部的光纤转接头耦合到多模光纤，通过多模光纤耦合到笼式系统，通过笼式结构光机组件调节控制入射激光以及透过荧光的方向和位置；通过在成像CCD右侧加入反射镜观察样品表面；通过调节第一三维精密样品台使样品对准显微物镜；使笼式系统达到共聚焦；通过光电探测器和计算机程序，观察荧光光子计数并调节笼式结构光机组件，使笼式系统达到最佳测量状态；
通过计算机控制脉冲卡，实现三路脉冲序列的正确输出，从而实现激光对样品的激发，微波的辐射，以及光探测磁共振谱，拉比振荡，Ramsey振荡，热动力学解耦方法。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明的笼式系统易于搭建和调试，整个装置集成度高，占用体积小，测量方法简单，可方便快捷地针对不同波长的扫描激光和荧光做出优化调整。基于碳化硅双空位的自旋和光学性质，此种温度计测量范围广，测量灵敏度高，并且相比于金刚石色心温度计，更加经济，应用范围也更广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明一实施例提供的基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计的整体示意图。
图中：多模光纤1，光纤转接头2，XY移动架3上，笼式光学杆4，透镜5，Z轴平移安装座6，入射激光7，滤光片8，二维光学调整架9，笼式立方体10，二向色镜11，支撑平台12，实验平台13，支撑杆14，显微物镜架15，显微物镜16，4H-SiC样品17，第一实验铝板18，圆柱形电磁铁19，第二实验铝板20，第二三维精密样品台21，第一三维精密样品台22上，底座23，金属支撑杆24，成像CCD镜头25，反射镜26，滤光片27，透镜28，荧光29，光电探测器30，电缆31，Lock-in锁相放大系统32，计算机33，第一微波源34，第二微波源35，微波传输线36，微波开关37，合束器38，微波放大器39。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明一实施例提供的基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计主要包含了笼式系统、样品固定与调节系统、磁场产生系统、成像CCD、荧光收集处理系统、信号处理系统、微波系统。
所述笼式系统由相互垂直可独立调节的激光入射模块和荧光收集模块，以及一个二向色镜组成。笼式系统右侧是激光入射模块，激光器发出的激光通过多模光纤1耦合在光纤转接头2上，进入笼式系统；光纤转接头2固定在XY移动架3上，可以对其进行X、Y方向的单独调节；XY移动架3、光纤转接头2、透镜5、Z轴平移安装座6、二维光学调整架9、另一个波长的透镜28、笼式立方体10、二向色镜11、显微物镜架15、显微物镜16通过笼式光学杆4连接组成笼式光学系统；入射激光7通过透镜5调整为平行光进入系统，透镜5安装在Z轴平移安装座6上；通过1000nm长通滤光片8后，入射激光7进入二维光学调整架9，可调节其入射方向和空间位置，通过Z轴平移安装座6调整其束腰位置。
上述右侧的激光入射模块事先组装好后整体通过笼式光学杆4安装在笼式立方体10右侧；二向色镜11固定于笼式立方体10的内部；笼式立方体10通过笼式光学杆4安装于支撑平台12上；支撑平台12通过螺栓固定于实验平台13上；实验平台13与支撑杆14通过螺栓固定在一起，一起固定于实验桌面上；笼式光学杆4上固定了一个显微物镜架15，显微物镜16通过螺纹旋拧在显微物镜架15上。
所述样品固定与调节系统中，入射激光7被二向色镜11反射后聚焦于4H-SiC样品17上；4H-SiC样品17固定于第一实验铝板上18，而第一实验铝板18安装于第一三维精密样品台22上；电源控制的圆柱形电磁铁19位于第二实验铝板20上，第二实验铝板20固定在第二三维精密样品台21上。
笼式系统的上侧是荧光收集系统。与激光入射模块相似，也是事先组装好后整体安装于笼式立方体10的上侧。样品发出的荧光29经过二向色镜11反射后先后通过二维光学调整架9，短通950nm滤光片27，Z轴平移安装座6，另一个波长的透镜28，以及XY移动架3。
荧光29通过反射镜26反射到成像CCD镜头25可以观察到样品表面的情况；成像CCD镜头25固定于金属支撑杆24上，通过底座23调节方向与高度；
荧光29通过光纤转接头2进入多模光纤1；多模光纤1连接光电探测器30；光电探测器30可以把光信号转变为电信号，通过电缆31连接Lock-in锁相放大系统32，对信号进行锁相放大以提高信号的对比度；Lock-in锁相放大系统32通过电缆31连接到计算机33，通过计算机33对信号进行分析处理。
计算机33控制脉冲卡产生三路脉冲分别控制信号收集、微波开关37以及激光开关。用于光学极化样品以及光探测磁共振谱，拉比振荡，Ramsey振荡，TCPMG等一系列相干操控。
微波系统由第一微波源34，第二微波源35，微波开关37，合束器38，微波放大器39以及微波传输线36组成。第一微波源34，第二微波源35分别同时控制自旋跃迁和微波传输线36用于传输微波信号；微波开关37控制微波信号的通过与否；微波放大器39用于放大微波信号，并同紧贴在4H-SiC样品17上的铜线相连，用以辐射微波，产生荧光。
设置声光调制器将连续激光信号变为脉冲激光信号；设置1000nm长通滤光片，透过波长大于1000nm的光而截止波长小于1000nm的光；设置950nm短通滤光片，透过波长小于950nm的光而截止波长大于950nm的光；设置电磁铁，产生有限的轴向电磁场；设置光电探测器对荧光进行光子计数，并将光信号转变为电信号输出到Lock-in锁相放大系统；设置微波源产生特定频率的微波；设置合束器整合两路频率不同的微波；将脉冲卡安装于电脑主机箱内，通过执行计算机编程的脉冲文件，控制微波和激光脉冲，使脉冲达到相干操控的要求。
本发明的基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计的测量方法的实现如下：
激光器发出的激光通过激光入射模块尾部的光纤转接头2耦合到多模光纤1，通过多模光纤1耦合到笼式系统，通过笼式结构光机组件调节控制入射激光以及透过荧光29的方向和位置；通过在成像CCD右侧加入反射镜26观察样品表面；通过调节第一三维精密样品台22使样品对准显微物镜；使笼式系统达到共聚焦。通过光电探测器30和计算机程序，观察荧光光子计数并调节笼式结构光机组件，使笼式系统达到最佳测量状态。
通过计算机33控制脉冲卡，实现三路脉冲序列的正确输出，从而实现激光对样品的激发，微波的辐射，以及光探测磁共振谱，拉比振荡，Ramsey振荡，热动力学解耦(TCPMG)等一系列相干操控。
温度测量的实现主要是利用了碳化硅中双空位色心的零场分裂常数随温度的变化引起的光探测磁共振谱(ODMR)的峰值移动。通过计算机程序测量的ODMR，通过拟合得到峰值信息，就可以得到相应的温度信息。而通过TCPMG测量，可以得到室温下的长相干时间，也可以得到零场分裂参数的变化，从而得到了此种方法温度测量的高灵敏度。
Claims (8)
1.一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于，包括第一三维精密样品台、第二三维精密样品台、显微物镜、笼式结构光机组件、激光器、声光调制器、多模光纤、二向色镜、滤光片、成像CCD、反射镜、电磁铁、光电探测器、Lock-in锁相放大系统、微波源、合束器、脉冲卡和计算机；其中：
所述第一三维精密样品台实现对样品的固定及位置调节；用螺栓固定在光学平台表面，位于笼式系统的底部；
所述显微物镜实现对用于激发样品的入射激光的聚焦，以及对样品发出荧光的收集，位于第一三维精密样品台的上部；
所述笼式结构光机组件实现对各光学元件的固定和连接，组装笼式系统；
所述激光器用于样品的光学激发，所发出激光通过多模光纤耦合到笼式系统的激光入射模块；
所述声光调制器通过脉冲电信号实现对激光的调制，使激光器发出的激光变成时序的激光；
所述多模光纤收集及传输激光器所发出的激光；
所述二向色镜实现对入射激光的反射以及透过荧光，形成分光作用；
所述滤光片过滤入射激光信号以提高激发效率，及过滤透过的荧光信号，增强荧光信号的信噪比；
所述成像CCD用于对样品表面进行成像，从而确定激发位置；
所述反射镜用于反射荧光和激光；
所述电磁铁用于产生轴向有限磁场；
所述光电探测器实现荧光计数；
所述Lock-in锁相放大系统实现对输入的电信号的锁相放大，并将信号传输到计算机中；
所述微波源用于接收脉冲序列并产生微波；
所述合束器用于耦合两路不同的微波；
所述脉冲卡通过计算机控制四路脉冲信号；
所述计算机用于接收经过Lock-in锁相放大系统放大的电信号，以及传递脉冲信号给微波源。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述电磁铁位于第二三维精密样品台上，在样品下方紧贴样品，产生稳定的轴向有限磁场。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述激光器的中心波长为914nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述滤光片有两个，一个用于过滤激光，是长通1000nm滤光片；一个用于过滤荧光，为短通950nm滤光片。
5.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述光电探测器与Lock-in锁相放大系统之间、Lock-in锁相放大系统与计算机之间、计算机与微波源之间都通过电缆连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述笼式结构光机组件组成的笼式系统分为右部激光入射模块和上部荧光收集模块，且两个模块在物理结构上相互垂直。
7.根据权利要求6所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述荧光收集模块顶部有光纤转接头，多模光纤一头耦合光线转接头，一头连接光电探测器，实现荧光的收集与传输。
8.根据权利要求6-7之一所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计的测量方法，其特征在于，包括：
首先连接好温度计，激光器发出的激光通过激光入射模块尾部的光纤转接头耦合到多模光纤，通过多模光纤耦合到笼式系统，通过笼式结构光机组件调节控制入射激光以及透过荧光的方向和位置；通过在成像CCD右侧加入反射镜观察样品表面；通过调节第一三维精密样品台使样品对准显微物镜，使笼式系统达到共聚焦；通过光电探测器和计算机程序，观察荧光光子计数并调节笼式结构光机组件，使笼式系统达到最佳测量状态；
通过计算机控制脉冲卡，实现三路脉冲序列的正确输出，从而实现激光对样品的激发，微波的辐射，以及光磁共振谱，拉比振荡，Ramsey振荡，热动力学解耦。
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|---|---|---|---|---|
| CN117705831A (zh) * | 2024-02-05 | 2024-03-15 | 高速铁路建造技术国家工程研究中心 | 一种基于微波反射的量子传感器及无损检测方法 |
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2023
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| CN117705831A (zh) * | 2024-02-05 | 2024-03-15 | 高速铁路建造技术国家工程研究中心 | 一种基于微波反射的量子传感器及无损检测方法 |
| CN117705831B (zh) * | 2024-02-05 | 2024-04-26 | 高速铁路建造技术国家工程研究中心 | 一种基于微波反射的量子传感器及无损检测方法 |
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