CN117347737B - 一种微波场的矢量测量与成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波场的矢量测量与成像装置及方法。其中，该装置包括：激光器、外部微波发生装置、三维微波辐射装置、金刚石探针、荧光收集装置以及荧光读出装置；激光器产生的连续激光照射到金刚石探针上，用于激发金刚石探针产生连续的荧光；外部微波发生装置产生施加在金刚石探针上的辅助微波，用于测量目标微波源产生的目标微波场；荧光收集装置用于收集金刚石探针产生的荧光信号；荧光读出装置用于将接收到的荧光信号转化为电信号，以根据电信号计算微波场的矢量信息与成像信息。本发明利用金刚石中的NV色心作为金刚石探针，克服了传统测量手段的不足，能够实现对微波场的无损测量、高灵敏度与高空间分辨率的矢量测量。

Description

一种微波场的矢量测量与成像装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及微波场测量技术领域，尤其涉及一种微波场的矢量测量与成像装置及方法。

背景技术

对微波器件的微波场进行表征是研究微波器件的重要手段。对微波场进行精准快速的表征能够极大的推动微波技术在无线通讯、医疗诊断、磁共振等领域的应用。这种近场微波表征手段，可以克服传统表征方法的一些局限性，例如测量S参数难以反应复杂器件的内部特征。当前，传统的开口波导、原子力显微镜以及基于量子体系的超导量子干涉仪、原子磁力计等体系都可以实现对近场微波的表征。但是，这些技术往往不能同时满足高空间分辨率、矢量测量以及具备在环境温度下的工作能力的这些要求，从而限制了它们的应用场景。

金刚石中的氮-空位（NV）色心作为一种固态量子自旋体系，在室温大气环境下就具有优良的相干性质与光学性质，具备在室温环境下工作的能力。基于NV色心的微波传感器兼具无损测量、高灵敏度与高空间分辨率的特点。由于NV色心对垂直于其轴向的微波场更为敏感，利用这一特征结合NV色心具有四个轴向的性质可以实现对微波场的矢量测量。

但是这类技术方法往往需要复杂的脉冲序列控制以及对色心的四个轴向到实验室坐标系的反解，不但实现方式复杂，而且会引入更多的系统误差。

发明内容

本发明提供一种微波场的矢量测量与成像装置及方法，通过采用金刚石中的NV色心作为金刚石探针，提供了一种无需复杂量子调控且实现方式简单的矢量微波场测量方法。

第一方面，本发明实施例提供了一种微波场的矢量测量与成像装置，包括：

激光器、外部微波发生装置、三维微波辐射装置、金刚石探针、荧光收集装置以及荧光读出装置；

所述激光器产生的连续激光照射到所述金刚石探针上，用于激发金刚石探针产生连续的荧光；

所述外部微波发生装置产生不共面的三路辅助微波，并通过三维微波辐射装置将所述不共面的三路辅助微波施加在金刚石探针上，用于测量目标微波源产生的目标微波场；

所述荧光收集装置用于收集金刚石探针产生的荧光信号并发送至所述荧光读出装置；

所述荧光读出装置用于将接收到的荧光信号转化为电信号，以根据所述电信号计算微波场的矢量信息与成像信息。

可选的，所述金刚石探针为金刚石中的氮-空位色心。

可选的，所述不共面的三路辅助微波为三路具备特定功率且幅度相位可控的微波。

可选的，所述荧光收集装置包括用于收集荧光信号的光学收集装置，或者用于成像的物镜镜头。

可选的，所述荧光读出装置包括用于读取荧光强度的光电探测器，或者用于实现成像的成像装置。

可选的，装置还包括：静磁场发生装置，所述静磁场发生装置用于产生施加在金刚石探针上的静磁场，所述静磁场用于调节金刚石探针的能级结构。

第二方面，本发明实施例还提供了一种微波场的矢量测量与成像方法，应用于上述任一项所述的微波场的矢量测量与成像装置中，包括：

对金刚石探针施加连续激光和数个不在同一平面内、不同方向的连续辅助微波，当目标微波场被施加在金刚石探针上时，采集各空间位置上金刚石探针产生的时域荧光信号；

对采集到的时域荧光信号进行分析，得到目标微波场的矢量信息和成像信息。

本发明的有益效果如下：

金刚石中的NV色心为固态自旋体系，本发明使用固态自旋体系作为探针，能够克服传统测量手段的不足，实现对微波场的无损测量、高灵敏度与高空间分辨率的矢量测量，进而可以极大的推动微波技术在无线通讯、医疗诊断、磁共振等领域的应用。

本发明使用不同方向的辅助微波场测量目标微波场在各个方向的投影大小，从而实现对目标微波场的矢量测量与成像。该方法不使用复杂的微波控制序列，测量不依赖于金刚石探针的具体角度，无需坐标反解等会引入测量误差的步骤，实现方式简单直观。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种微波场的矢量测量与成像装置的整体结构图；

图2为本发明实施例提供的一种三维微波辐射装置的示例图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种微波场的矢量测量与成像装置的整体结构图。参见图1，该装置具体包括：激光器、外部微波发生装置、三维微波辐射装置、静磁场发生装置、金刚石探针、荧光收集装置、荧光读出装置。

其中，本实施例中采用金刚石中的NV色心作为金刚石探针对微波场进行矢量测量。

NV色心作为一种固体自旋体系在室温大气环境下具有优良的性质。在连续激光的作用下，NV色心会发出连续的荧光，此时如果存在一个与NV色心共振的连续目标微波场，NV色心发出的荧光强度会发生下降直到一个稳态，下降的幅度与该连续目标微波场的幅度的平方成正比。如果同时施加一个幅度大于该连续目标微波场且方向一致的连续辅助微波场，此时目标微波场与辅助微波场之间会发生干涉，由目标微波场引起的荧光强度的下降程度会得到增强，该下降幅度正比于目标微波场与辅助微波场幅度的乘积。如果该连续辅助微波场与连续目标微波场方向不一致，特别的，如果两者方向垂直，此时目标微波场与辅助微波场不再互相干涉，由目标微波场引起的荧光强度的下降程度不再得到增强，该下降幅度与目标微波场的幅度的平方成正比。因此，通过一个方向的辅助微波场可以放大增强与之同方向的目标微波场，从而实现测量目标微波场在辅助微波场方向上的投影矢量的大小。进一步的，施加三个不共面的辅助微波场就可以测量得到目标微波场在三个方向上的投影大小，通过矢量叠加原理即可得到目标微波场的完整的矢量信息，最终实现对目标微波场的矢量测量。

此外，本实施例还可以利用磷硅体系、砷化镓量子点、砷化铟量子点等作为金刚石探针。

示例性的，激光器产生波长为532nm的连续激光照射到金刚石探针上，用于激发金刚石中的NV色心，使金刚石中的NV色心产生连续的荧光。

外部微波发生装置用于产生三路特定功率且幅度相位可控的辅助微波，并通过三维微波辐射装置在金刚石中的NV色心上施加辅助微波，用于测量目标微波源产生的目标微波场。

静磁场发生装置用于产生施加在金刚石探针上的静磁场，静磁场用于调节金刚石中NV色心的能级结构从而改变可测量的微波场的频率范围。

荧光收集装置用于收集金刚石中NV色心产生的荧光，可以使用抛物面镜等光学结构来最大化收集到的荧光，亦可使用物镜镜头对金刚石中的NV色心进行成像。

荧光读出装置将荧光信号转化为电信号输出，以进行后续的处理与分析，该装置可以使用光电探测器配合光学结构高效率的读出荧光强度，上述光电探测器可以为光电二极管、雪崩光电二极管等；亦可使用相机配合物镜镜头实现成像的功能，上述相机可以为CMOS相机、CCD相机等。

进一步参见图2，图2提供了一种三维微波辐射装置的示例图，图中的三个环形线圈互相垂直放置位于一个正方体的三个面上，金刚石探针放置于该正方体的中央。需要说明的是，该示例仅展示了三维微波辐射装置的一种可能的结构，只要满足施加的三路微波的方向不共面即可实现本发明中对微波场的矢量测量与成像。

在上述实施例的基础上，本发明还提供了一种微波场的矢量测量与成像方法，首先对金刚石探针施加连续激光和数个不在同一平面内、不同方向的连续辅助微波，当目标微波场被施加在金刚石探针上时，采集各空间位置上金刚石探针产生的时域荧光信号；对采集到的时域荧光信号进行分析，以得到目标微波场的矢量信息和成像信息。

进一步的，上述方法具体可以包括以下步骤：

步骤1：金刚石探针制备。上述金刚石探针为金刚石中的NV色心。

步骤2：装置组装。将金刚石探针、荧光收集装置和荧光读出装置连接在一起，使得金刚石探针产生的荧光可以被高效的收集并转化为电信号，或是通过物镜镜头与相机的组合来实现成像的作用；连接三维微波辐射装置与外部微波发生装置，调节三维微波辐射装置使得金刚石探针位于三维微波辐射装置的中央；调节静磁场发生装置，使得金刚石中的NV色心感受到相同的静磁场大小，且使得金刚石中NV色心的能级与目标微波场的频率相匹配。

步骤3：信号测量。对金刚石探针施加连续激光和连续辅助微波，当目标微波场被施加在金刚石探针上时，对NV色心的荧光进行测量或成像，并记录由目标微波场导致的荧光信号变化。可选的，对辅助微波的相位进行调制，以一定频率翻转辅助微波的相位，使得荧光信号转换为以该调制频率为频率的方波信号，对时域信号做傅里叶变换可以得到其荧光信号变化的幅度。

步骤4：幅度标定。在对金刚石探针施加连续激光和连续辅助微波的基础上，施加一个幅度已知的微波场，得到对应荧光信号的变化与步骤3中得到的荧光信号的变化幅度作比较，可以得到目标微波场在该辅助微波方向上的幅度。

步骤5：对金刚石探针施加不同方向上的辅助微波，重复步骤3到步骤4，得到目标微波场在各空间位置上在各辅助微波方向上的幅度。

步骤6：根据矢量叠加原理，计算得到实际目标微波场的矢量信息。

在上述实施例的基础上，示例性的，当进行矢量测量时，该方法可以包括以下步骤：

步骤1：金刚石探针制备。上述金刚石探针为金刚石中的NV色心。

步骤2：装置组装。将金刚石探针、荧光收集装置和荧光读出装置连接在一起，使得金刚石探针产生的荧光可以被高效的收集并转化为电信号。连接三维微波辐射装置与外部微波发生装置，调节三维微波辐射装置使得金刚石探针位于三维微波辐射装置的中央；调节静磁场发生装置，使得金刚石中的NV色心感受到相同的静磁场大小，约12 Gauss，使得金刚石中NV色心的能级与目标微波场的频率相匹配。

步骤3：信号测量。对探针施加连续激光和连续辅助微波，当目标微波场被施加在金刚石探针上时，对辅助微波的相位进行调制，以200 Hz为频率翻转辅助微波的相位，并对金刚石中NV色心的荧光进行测量，此时得到的荧光信号为以200 Hz 为频率、目标微波场导致的荧光信号变化为幅度的方波信号，对该时域信号做傅里叶变换可以得到其荧光信号变化的幅度。

步骤4：幅度标定。在对金刚石探针施加连续激光和连续辅助微波的基础上，施加一个幅度已知的微波场，得到对应荧光信号的变化幅度与步骤3中得到的荧光信号的变化幅度的比值即为幅度已知的微波场与目标微波场幅度的比值，接着计算可以得到目标微波场在该辅助微波方向上投影的幅度。

步骤5：对金刚石探针施加不同方向上的辅助微波，重复步骤3到步骤4，得到目标微波场在各空间位置上在各辅助微波方向上的幅度。

步骤6：根据矢量叠加原理，计算得到实际目标微波场的矢量信息。

在上述实施例的基础上，示例性的，当进行成像时，该方法可以包括以下步骤：

步骤1：金刚石探针制备。上述金刚石探针为金刚石中的NV色心。

步骤2：装置组装。将金刚石探针、荧光收集装置和荧光读出装置连接在一起，使得金刚石探针产生的荧光可以被成像，本实施例中的荧光收集装置为物镜，荧光读出装置为相机。连接三维微波辐射装置与外部微波发生装置，调节三维微波辐射装置使得金刚石探针位于三维微波辐射装置的中央；调节静磁场发生装置，使得金刚石中的NV色心感受到相同的静磁场大小，约12 Gauss，使得金刚石中NV色心的能级与目标微波场的频率相匹配。

步骤3：信号测量。对金刚石探针施加连续激光和连续辅助微波，当目标微波场被施加在金刚石探针上时，对辅助微波的相位进行调制，以200 Hz为频率翻转辅助微波的相位，并对金刚石中NV色心的荧光进行成像，此时相机收集到的图像的每一个像素点的荧光信号为：以200 Hz为频率，目标微波场在每一个像素点对应的金刚石探针上的位置导致的荧光信号变化为幅度的方波信号，对该时域信号做傅里叶变换可以得到其荧光信号变化的幅度。

步骤4：幅度标定。在对金刚石探针施加连续激光和连续辅助微波的基础上，施加一个幅度已知的微波场，得到对应荧光信号的变化幅度与步骤3中得到的荧光信号的变化幅度的比值即为幅度已知的微波场与目标微波场在每一个相机像素点对应的金刚石探针上的位置处的幅度比值，接着可以得到目标微波场在金刚石探针处各个位置在该辅助微波方向上的幅度，即对目标微波场在该辅助微波方向上投影的幅度进行了成像。

步骤5：对金刚石探针施加不同方向上的辅助微波，重复步骤3到步骤4，得到目标微波场在各空间位置上在各辅助微波方向上的幅度。

步骤6：根据矢量叠加原理，计算得到实际目标微波场的矢量信息。

需要说明的是，本发明所采用的辅助微波场和目标微波场包括但不局限于实例所用的参数和目标。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种微波场的矢量测量与成像装置，其特征在于，包括：

激光器、外部微波发生装置、三维微波辐射装置、金刚石探针、荧光收集装置以及荧光读出装置；

所述激光器产生的连续激光照射到所述金刚石探针上，用于激发金刚石探针产生连续的荧光；

所述外部微波发生装置产生不共面的三路辅助微波，并通过三维微波辐射装置将所述不共面的三路辅助微波施加在金刚石探针上，用于当目标微波场被施加在金刚石探针上时，通过目标微波场和辅助微波之间的干涉效应测量目标微波源产生的目标微波场；所述不共面的三路辅助微波为三路具备特定功率且幅度相位可控的微波；

所述荧光收集装置用于收集金刚石探针产生的荧光信号并发送至所述荧光读出装置；

所述荧光读出装置用于将接收到的荧光信号转化为电信号，以根据所述电信号计算微波场的矢量信息与成像信息。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述金刚石探针为金刚石中的氮-空位色心。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述荧光收集装置包括用于收集荧光信号的光学收集装置，或者用于成像的物镜镜头。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述荧光读出装置包括用于读取荧光强度的光电探测器，或者用于实现成像的成像装置。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：静磁场发生装置，所述静磁场发生装置用于产生施加在金刚石探针上的静磁场，所述静磁场用于调节金刚石探针的能级结构。

6.一种微波场的矢量测量与成像方法，应用于权利要求1-5任一项所述的微波场的矢量测量与成像装置中，其特征在于，包括：

对金刚石探针施加连续激光和数个不在同一平面内、不同方向的连续辅助微波，当目标微波场被施加在金刚石探针上时，采集各空间位置上金刚石探针产生的时域荧光信号；

对采集到的时域荧光信号进行分析，得到目标微波场的矢量信息和成像信息。