CN117097418A - 金刚石nv色心微波探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金刚石NV色心微波探测器，包括：金刚石NV色心、磁场发生器、激光器、射频探头和控制装置；磁场发生器用于产生第一磁场，第一磁场用于使金刚石NV色心的微波粒子发生塞曼劈裂；激光器用于向金刚石NV色心发射激光，以使塞曼劈裂后的微波粒子极化到Ms＝|0>能级上；磁场发生器还用于先后产生多个不同磁场强度的第二磁场，第二磁场用于使极化到Ms＝|0>能级上的微波粒子发生塞曼劈裂，射频探头用于检测与第二磁场的磁场强度对应的受激辐射的微波粒子强度；控制装置用于将微波粒子强度大于零时第二磁场的磁场强度对应的塞曼劈裂能级确定为待探测的外界微波的频率。本发明能够解决金刚石NV色心在空间微弱微波探测上受限的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石色心量子传感技术领域，尤其涉及一种金刚石NV色心微波探测器。
背景技术
目前，基于金刚石NV(Nitrogen-Vacancy，氮-空位)色心的微波探测技术正在稳步发展。但现有的基于金刚石NV色心的微波探测技术大都是通过光电探测器探测金刚石NV色心正向能级间的相互作用所带来的荧光的变化，以实现对微波的探测。
然而，上述的微波探测技术仅能实现近场微波测量，在很大程度上限制了金刚石NV色心在空间微弱微波探测上的应用。
发明内容
本发明实施例提供了一种金刚石NV色心微波探测器，以解决现有的微波探测技术在很大程度上限制了金刚石NV色心在空间微弱微波探测上的应用的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种金刚石NV色心微波探测器，包括：
金刚石NV色心、磁场发生器、激光器、射频探头和控制装置；
所述磁场发生器位于所述金刚石NV色心周围，用于产生第一磁场，所述第一磁场用于使所述金刚石NV色心的微波粒子发生塞曼劈裂；
所述激光器用于向所述金刚石NV色心发射激光，以使塞曼劈裂后的微波粒子极化到Ms＝|0>能级上；
所述激光器保持开启状态，所述磁场发生器还用于先后产生多个不同磁场强度的第二磁场，所述第二磁场用于使极化到Ms＝|0>能级上的微波粒子发生塞曼劈裂，所述射频探头用于检测与所述第二磁场的磁场强度对应的受激辐射的微波粒子强度；
所述控制装置与所述磁场发生器、所述射频探头连接，用于获取所述第二磁场的磁场强度，以及相对应的受激辐射的微波粒子强度，并将所述微波粒子强度大于零时所述第二磁场的磁场强度对应的塞曼劈裂能级确定为待探测的外界微波的频率。
在一种可能的实现方式中，所述控制装置具体用于根据获取得到的所述第二磁场的磁场强度，以及相对应的受激辐射的微波粒子强度绘制坐标图，并将所述微波粒子强度大于零时所述第二磁场的磁场强度对应的塞曼劈裂能级确定为待探测的外界微波的频率。
在一种可能的实现方式中，所述磁场发生器产生的所述第二磁场的磁场强度与通入所述磁场发生器的电流成正比。
在一种可能的实现方式中，所述磁场发生器产生的所述第二磁场的磁场强度范围为102.5mT至30T。
在一种可能的实现方式中，所述第一磁场、第二磁场的磁场方向与所述金刚石NV色心的晶向相同。
在一种可能的实现方式中，所述射频探头的带宽频率范围为0Hz至1000GHz。
在一种可能的实现方式中，所述激光的波长范围为500nm至600nm，所述激光的功率范围为10mW至100W。
在一种可能的实现方式中，所述金刚石NV色心的色心浓度范围为0.1ppm至200ppm。
在一种可能的实现方式中，所述金刚石NV色心为片状金刚石，所述片状金刚石的长度、宽度、高度的范围均为0.1mm至10mm。
在一种可能的实现方式中，所述射频探头和所述金刚石NV色心之间设有遮光片，所述遮光片用于隔离所述激光和所述射频探头，以防止所述激光达到所述射频探头。
本发明实施例提供一种金刚石NV色心微波探测器，通过磁场发生器产生使金刚石NV色心的微波粒子发生塞曼劈裂的第一磁场，通过激光器向金刚石NV色心发射激光，以使塞曼劈裂后的微波粒子极化到Ms＝|0>能级上；再通过磁场发生器先后产生多个不同磁场强度的第二磁场，使极化到Ms＝|0>能级上的微波粒子发生塞曼劈裂，采用射频探头检测与第二磁场的磁场强度对应的受激辐射的微波粒子强度，最后通过控制装置获取第二磁场的磁场强度，以及相对应的受激辐射的微波粒子强度，并根据微波粒子强度的大小和第二磁场的磁场强度确定外界微波的频率。
由于第二磁场对应的塞曼劈裂能级正好等于待探测的外界微波频率时，极化到Ms＝|0>能级上的微波粒子会发生受激辐射，因此，通过控制装置获取第二磁场的磁场强度，以及与磁场强度对应的微波粒子强度，并查看微波粒子强度大于零时第二磁场的磁场强度，便可根据第二磁场的磁场强度对应的塞曼劈裂能级确定待探测的外界微波的频率。由于塞曼劈裂能级与第二磁场的磁场强度呈线性相关，因此，通过改变第二磁场的磁场强度，直到金刚石NV色心微波粒子受激辐射，即可实现微弱的空间微波信号的探测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种金刚石NV色心微波探测器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种金刚石NV色心微波探测器的原理示意图；
图3是本发明实施例提供的一种磁场强度与微波粒子强度的关系坐标图；
图4是本发明实施例提供的另一种金刚石NV色心微波探测器的结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
图1为本发明实施例提供的金刚石NV色心微波探测器的结构示意图，详述如下：
金刚石NV色心微波探测器包括：金刚石NV色心11、磁场发生器12、激光器13、射频探头14和控制装置15。
磁场发生器12位于金刚石NV色心11周围，用于产生第一磁场，第一磁场用于使金刚石NV色心11的微波粒子发生塞曼劈裂。
激光器13用于向金刚石NV色心11发射激光，以使塞曼劈裂后的微波粒子极化到Ms＝|0>能级上。
激光器13保持开启状态，磁场发生器12还用于先后产生多个不同磁场强度的第二磁场，第二磁场用于使极化到Ms＝|0>能级上的微波粒子发生塞曼劈裂，射频探头14用于检测与第二磁场的磁场强度对应的受激辐射的微波粒子强度。
控制装置15与磁场发生器12、射频探头14连接，用于获取第二磁场的磁场强度，以及相对应的受激辐射的微波粒子强度，并将微波粒子强度大于零时第二磁场的磁场强度对应的塞曼劈裂能级确定为待探测的外界微波的频率。
金刚石NV色心11是指金刚石中的一种特殊的发光点缺陷，由一个氮原子取代碳原子并在临近形成一个空穴。金刚石NV色心11是一个具有高稳定性的室温固态单自旋量子的体系，其具有易于初始化、易于读取、易于操控、相干时间长、常温操作等优点，是一种十分具有潜力的量子计算系统。金刚石NV色心11中存在多个微波粒子，且这些微波粒子有多种状态和多种能级，且微波粒子的状态和能级受磁场、激光和微波影响。
当无外加磁场时，金刚石NV色心11中的微波粒子的能级为Ms＝|±1>能级和Ms＝|0>能级两种能级中的一种。由于实现微波粒子的受激辐射需要将Ms＝|±1>能级转换为Ms＝|-1>和Ms＝|+1>两个能级，且磁场条件下，由于塞曼效应，Ms＝|±1>能级的微波粒子会进一步劈裂，因此，需要在金刚石NV色心11外施加磁场，以使处于Ms＝|±1>能级的金刚石NV色心11的微波粒子塞曼劈裂为Ms＝|-1>和Ms＝|+1>两个能级。
图2是本发明实施例示出的金刚石NV色心微波探测器的原理示意图，由图2可得，第一磁场只用于使处于Ms＝|±1>能级的金刚石NV色心11的微波粒子塞曼劈裂为Ms＝|-1>和Ms＝|+1>两个能级，当金刚石NV色心劈裂完成后，磁场发生器12停止产生第一磁场。
在采用磁场发生器12施加第一磁场后，采用激光照射金刚石NV色心11一段时间，以使金刚石NV色心11的微波粒子极化到基态Ms＝|0>能级。
在一些实施例中，磁场发生器12会先后产生多个不同磁场强度的第二磁场，该第二磁场是一个磁场强度扫描范围为102.5mT至30T的扫描磁场。例如，磁场发生器12产生了一个磁场强度为104mT的第二磁场，当该磁场强度的第二磁场不满足设定时，磁场发生器12会在磁场强度扫描范围内再次产生一个第二磁场。由于第二磁场的磁场强度与通入磁场发生器12的电流成正比，本实施例中，可通过向磁场发生器12中通入不同的电流实现第二磁场的线性扫描。
本实施例中，当金刚石NV色心11的微波粒子极化到基态Ms＝|0>能级时，金刚石NV色心11的微波粒子体系处于不稳定状态，此时，若外界微波的频率与第二磁场的磁场强度对应的塞曼劈裂能级不对等，微波粒子不会受激辐射；若外界微波的频率正好等于第二磁场的塞曼劈裂能级时，微波粒子发生受激辐射，并由射频探头14检测受激辐射的微波粒子强度。因此，当射频探头14检测到的微波粒子强度大于零时，只需获取此时第二磁场的磁场强度对应的塞曼劈裂能级即可得到外界微波的频率，实现对外界微波的探测。
在一些实施例中，控制装置15在获取到第二磁场的磁场强度，以及和第二磁场的磁场强度对应的受激辐射的微波粒子强度之后，可以以第二磁场的磁场强度为横坐标，第二磁场的磁场强度对应的受激辐射的微波粒子强度为纵坐标绘制坐标图，并将坐标图中微波粒子强度大于零时，第二磁场的磁场强度对应的塞曼劈裂能级确定为待探测的外界微波的频率。例如，如图3所示的磁场强度与微波粒子强度的关系坐标图，由图3可得，磁场强度为102.5mT、103.5mT、104.5mT、106.5mT时，微波粒子强度为0；磁场强度为105.5mT时，微波粒子强度大于0，因此，此时外界微波的频率为磁场强度为105.5mT对应的塞曼劈裂能级。
根据第二磁场的磁场强度和与第二磁场的磁场强度对应的受激辐射的微波粒子强度绘制坐标图，可以更加清晰明了确定微波粒子强度大于零时所对应的磁场强度，更加快捷的得到外界微波的频率。
由于第一磁场和第二磁场的开启、结束时刻不同，因此，在一些实施例中，可以设置两个磁场发生器来分别产生第一磁场和第二磁场。例如，如图4所示的另一种金刚石NV色心微波探测器，磁场发生器12包括第一磁场发生器121和第二磁场发生器122，其中，第一磁场发生器121用于产生第一磁场，第二磁场发生器122用于产生第二磁场。
下面以一个具体的实施例来说明金刚石NV色心微波探测器的工作过程：
将第一磁场发生器121设置在金刚石NV色心11周围，开启第一磁场发生器121，第一磁场发生器121产生第一磁场。金刚石NV色心11的微波粒子在第一磁场的作用下发生塞曼劈裂，微波粒子的能级由Ms＝|±1>能级塞曼劈裂为Ms＝|-1>和Ms＝|+1>两个能级。当塞曼劈裂完成后，关闭磁场发生器121。
开启激光器13，向金刚石NV色心发射激光。此时，塞曼劈裂后的微波粒子极化到Ms＝|0>能级上。
开启第二磁场发生器122，第二磁场发生器122先后产生多个不同磁场强度的第二磁场。其中，第二磁场会使极化到Ms＝|0>能级上的微波粒子发生塞曼劈裂。
开启射频探头14，使射频探头14检测受激辐射的微波粒子强度，若射频探头14检测到的微波粒子强度为0，第二磁场发生器122会继续产生另一磁场强度的第二磁场；若射频探头14检测到的微波粒子强度大于0，磁场发生器12停止产生第二磁场。
采用控制装置15实时获取并记录第二磁场发生器122产生的第二磁场的磁场强度，以及与每个第二磁场的磁场强度对应的射频探头14检测到的微波粒子强度，并查询微波粒子强度大于0所对应的第二磁场的磁场强度，最后将该磁场强度对应的塞曼劈裂能级确定为待探测的外界微波的频率。
在一些实施例中，第一磁场和第二磁场的磁场方向与金刚石NV色心11的晶向相同。
本实施例中，射频探头14的带宽频率范围可以为0Hz至1000GHz，本底噪声可以为1fW。
由于激光器13发出的激光可能会影响射频探头14的检测结果，因此，如图4所示的另一种金刚石NV色心微波探测器的结构示意图，在一些实施例中，可以在金刚石NV色心11和射频探头14之间设置遮光片16，以防止激光达到射频探头14，造成射频探头14的检测结果不准确。
本实施例中，遮光片16的材质可以为塑料、陶瓷、木材等非金属材质。需要说明的是，遮光片16只会阻挡激光，并不会阻挡受激辐射的微波粒子，因此，设置遮光片16并不会影响射频探头14检测到的微波粒子强度。
本发明实施例并不限制激光器13的具体位置，例如，如图1所示，激光器13可以位于金刚石NV色心11的上方，如图4所示，激光器13也可以位于金刚石NV色心11的左侧。
在一些实施例中，激光器13发出的激光的功率范围可以为10mW至100W，激光的波长范围可以为500nm至600nm。将激光的功率设置在10mW至100W之间，可以解决因激光功率过高而导致金刚石NV色心11的温度过高的问题，减少金刚石NV色心11的微波粒子的频率偏移。
在一些实施例中，金刚石NV色心11的形状可以为片状，金刚石NV色心11的色心浓度范围可以为0.1ppm至200ppm。当金刚石NV色心11的形状为片状时，金刚石NV色心11的长度、宽度、高度的范围均为0.1mm至10mm。
作为示例，下面给出了两个具体的金刚石NV色心微波探测器的制备过程：
实施例1：
步骤一，选取色心浓度为10ppm，长度、宽度、高度均为2mm的片状金刚石NV色心11。
步骤二，选取磁场发生器12在金刚石NV色心11周围产生磁场强度为102.5mT、磁场方向与金刚石NV色心11的晶向相同的第一磁场。
步骤三，选取波长为532nm，功率为1W的激光器13。
步骤四，采用步骤二中的磁场发生器12产生磁场强度扫描范围为102.5mT至1.8T、磁场方向与金刚石NV色心11的晶向相同的第二磁场。
步骤五，选取带宽频率范围为3GHz至60GHz的射频探头14检测微波粒子强度，并在射频探头14和金刚石NV色心11之间设置塑料材质的遮光片16。
步骤六，选取控制装置15，将控制装置15与射频探头14、磁场发生器12连接，以获取第二磁场的磁场强度，以及相对应的受激辐射的微波粒子强度。金刚石NV色心微波探测器制备完成。
实施例2：
步骤一，选取色心浓度为100ppm，长度、宽度均为10mm、高度为1mm的片状金刚石NV色心11。
步骤二，选取第一磁场发生器121在金刚石NV色心11周围产生磁场强度为102.5mT、磁场方向与金刚石NV色心11的晶向相同的第一磁场。
步骤三，选取波长为532nm，功率为3W的激光器13。
步骤四，选取第二磁场发生器122产生磁场强度扫描范围为102.5mT至2.7T、磁场方向与金刚石NV色心11的晶向相同的第二磁场。
步骤五，选取带宽频率范围为300MHz至90GHz的射频探头14检测微波粒子强度，并在射频探头14和金刚石NV色心11之间设置陶瓷材质的遮光片16。
步骤六，选取控制装置15，将控制装置15与射频探头14、磁场发生器12连接，以获取第二磁场的磁场强度，以及相对应的受激辐射的微波粒子强度。金刚石NV色心微波探测器制备完成。
通过实验得到，本发明实施例中的微波探测器的探测效果可达到e15以上量级，可实现DC～THz频段的超宽带微波检测。因此，本发明实施例提出的金刚石NV色心微波探测器，利用受激辐射原理进行空间微波微弱微波探测，不仅可以实现极低的微波探测极限，且探测器结构简单，便于后期与其他器件的集成。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种金刚石NV色心微波探测器，其特征在于，包括：金刚石NV色心、磁场发生器、激光器、射频探头和控制装置；
所述磁场发生器位于所述金刚石NV色心周围，用于产生第一磁场，所述第一磁场用于使所述金刚石NV色心的微波粒子发生塞曼劈裂；
所述激光器用于向所述金刚石NV色心发射激光，以使塞曼劈裂后的微波粒子极化到Ms＝|0>能级上；
所述激光器保持开启状态，所述磁场发生器还用于先后产生多个不同磁场强度的第二磁场，所述第二磁场用于使极化到Ms＝|0>能级上的微波粒子发生塞曼劈裂，所述射频探头用于检测与所述第二磁场的磁场强度对应的受激辐射的微波粒子强度；
所述控制装置与所述磁场发生器、所述射频探头连接，用于获取所述第二磁场的磁场强度，以及相对应的受激辐射的微波粒子强度，并将所述微波粒子强度大于零时所述第二磁场的磁场强度对应的塞曼劈裂能级确定为待探测的外界微波的频率。
2.根据权利要求1所述的金刚石NV色心微波探测器，其特征在于，所述控制装置具体用于根据获取得到的所述第二磁场的磁场强度，以及相对应的受激辐射的微波粒子强度绘制坐标图，并将所述微波粒子强度大于零时所述第二磁场的磁场强度对应的塞曼劈裂能级确定为待探测的外界微波的频率。
3.根据权利要求1所述的金刚石NV色心微波探测器，其特征在于，所述磁场发生器产生的所述第二磁场的磁场强度与通入所述磁场发生器的电流成正比。
4.根据权利要求3所述的金刚石NV色心微波探测器，其特征在于，所述磁场发生器产生的所述第二磁场的磁场强度范围为102.5mT至30T。
5.根据权利要求1所述的金刚石NV色心微波探测器，其特征在于，所述第一磁场、第二磁场的磁场方向与所述金刚石NV色心的晶向相同。
6.根据权利要求1所述的金刚石NV色心微波探测器，其特征在于，所述射频探头的带宽频率范围为0Hz至1000GHz。
7.根据权利要求1所述的金刚石NV色心微波探测器，其特征在于，所述激光的波长范围为500nm至600nm，所述激光的功率范围为10mW至100W。
8.根据权利要求1所述的金刚石NV色心微波探测器，其特征在于，所述金刚石NV色心的色心浓度范围为0.1ppm至200ppm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的金刚石NV色心微波激射器，其特征在于，所述金刚石NV色心为片状金刚石，所述片状金刚石的长度、宽度、高度的范围均为0.1mm至10mm。
10.根据权利要求1-9一项所述的金刚石NV色心微波探测器，其特征在于，所述射频探头和所述金刚石NV色心之间设有遮光片，所述遮光片用于隔离所述激光和所述射频探头，以防止所述激光达到所述射频探头。
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| CN202310954014.6A Pending CN117097418A (zh) | 2023-07-31 | 2023-07-31 | 金刚石nv色心微波探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117097418A (zh) |
-
2023
- 2023-07-31 CN CN202310954014.6A patent/CN117097418A/zh active Pending
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Legal Events
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