CN117705831B - 一种基于微波反射的量子传感器及无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于微波反射的量子传感器及无损检测方法，包括：光学检测装置、探头、微波发生与辐射装置、数据处理装置，探头包括固态自旋色心。微波发生与辐射装置用于产生微波，并将微波分为两束，第一束微波用于辐射给检测区域，以及接收来自检测区域的反射微波，并将其与第二束微波合束后辐射给探头；光学检测装置用于向所述探头照射激发光，并探测由探头产生的荧光，再将探测的荧光信号发送给数据处理装置；其中，第二束微波的微波功率以及所探测的荧光信号均处于响应曲线的近似直线段对应的区间内。能够实现在微波源不需要过高发射功率的条件下，实现荧光与微波功率的线性响应，提高传感器的线性度以及准确性。

Description

一种基于微波反射的量子传感器及无损检测方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，特别是涉及一种基于微波反射的量子传感器及无损检测方法。

背景技术

桥梁、隧道等大型构筑物施工质量是否符合设计和规范要求是其安全运营和耐久使用的基本保障，结构混凝土施工主要以隐蔽施工为主，微波探测作为一种常用无损检测技术，在钢筋结构混凝土质量检测过程中具有十分重要的作用。不仅可以应用于运营期钢筋结构混凝土工程质量检测，还广泛应用于在建工程施工质量全过程控制。其应用原理为微波对于金属物质具有反射特性，且反射率接近100%，而对于非金属物质具有透射特性，通过检测反射的微波特性，例如测量微波反射后的反射系数幅值、相位参数等而实现对反射微波的检测。

基于量子精密测量技术具有检测速度快、灵敏度高、无接触式测量，且可在各种工业环境下完成精密测量等的优点，逐渐被应用于无损检测领域。利用量子固态自旋色心电子自旋与微波相互作用的结果，可反推出外界微波的功率变化，由此实现反射微波的检测。其检测是基于所探测的荧光与微波功率之间的关系进行的，然而，荧光与微波功率的对应关系并不是完全呈线性，为提高传感器的线性度，希望能将荧光对微波功率的响应控制在响应曲线的近似直线段上，这样会有利于标定，且能够降低非线性响应带来的噪音误差。但是通过控制发射的微波来实现时，对于反射回的微波功率过小而不在近似直线段对应的区间内时，往往需要加大微波源的微波功率，使反射微波处于上述区间内，这样一方面对微波源的性能具有较高的要求，另一方面会增大系统以及环境的噪声，降低探测的准确性。

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基于微波反射的量子传感器及无损检测方法，用于在采用量子固态自旋色心检测反射的微波时，将荧光对微波功率的响应控制在近似线性关系上，以提高传感器的线性度以及准确性的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于微波反射的量子传感器，所述传感器包括：光学检测装置、探头、微波发生与辐射装置、连接于所述光学检测装置的数据处理装置；所述探头包括固态自旋色心；

所述微波发生与辐射装置用于产生微波，并将微波分为两束，第一束微波用于辐射给检测区域，以及接收来自检测区域的反射微波，并将其与第二束微波合束后辐射给探头；所述光学检测装置用于向所述探头照射激发光，并探测由探头产生的荧光，再将探测的荧光信号传输至数据处理装置，所述激发光用于激发固态自旋色心产生荧光；其中，第二束微波的微波功率以及所探测的荧光信号均处于响应曲线的近似直线段对应的区间内，响应曲线为微波功率-荧光信号曲线或微波功率-ODMR谱线对比度曲线；

数据处理装置用于处理分析所述荧光信号，并由所述荧光信号来表征检测区域所反射的微波功率。

进一步地，所述微波发生与辐射装置包括两个微波源、微波辐射单元、微波接收单元、微波合束器、第一微波天线，一个微波源产生的第一束微波传输至微波辐射单元，由微波辐射单元辐射给检测区域，来自检测区域的反射微波被微波接收单元接收，并被传输至微波合束器，另一个微波源产生的第二束微波传输至微波合束器，微波合束器用于进行微波功率的合成，经合成后的微波传输至第一微波天线，由第一微波天线辐射给探头。

进一步地，所述微波发生与辐射装置包括微波源、微波分束器、微波辐射单元、微波接收单元、微波合束器、第一微波天线，微波源产生的微波经微波分束器分为两束，第一束传输至微波辐射单元，由微波辐射单元辐射给检测区域，来自检测区域的反射微波被微波接收单元接收，并被传输至微波合束器，第二束微波传输至微波合束器，微波合束器用于进行微波功率的合成，经合成后的微波传输至第一微波天线，由第一微波天线辐射给探头。

进一步地，微波辐射单元包括依次连接的第一微波放大器、微波环形器、第二微波天线，第二微波天线用于将微波辐射给检测区域，微波接收单元包括依次连接的第三微波天线、第二微波放大器、滤波器，来自检测区域的反射微波被第三微波天线接收，并经第二微波放大器、滤波器传输至微波合束器。

进一步地，所述光学检测装置包括光源、光路传输单元、荧光探测单元，所述光源发射的激发光经光路传输单元传输至探头，探头产生的荧光经光路传输单元传输至荧光探测单元被收集。

进一步地，所述光路传输单元包括双色片或光环形器、滤波片，所述荧光探测单元为光电探测器；或所述光路传输单元包括扩束器、双色片、物镜、滤波片，所述荧光探测单元为成像相机。

进一步地，数据处理装置包括相连接的锁相放大器和上位机，锁相放大器连接于微波发生与辐射装置以及光学检测装置，用于向微波发生与辐射装置传输调制参数，并对光学检测装置所探测的荧光信号进行解调，上位机用于向锁相放大器传输调制参数以及接收锁相放大器的解调信号。

进一步地，还包括磁场组件，用于向所述探头施加偏置磁场。

进一步地，所述固态自旋色心为金刚石氮空位色心、碳化硅色心、金刚石锗空位色心、金刚石硅空位色心、六方氮化硼色心中的一种。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种基于微波反射的量子无损检测方法，包括：

向含有固态自旋色心的探头照射激发光，所述激发光用于激发固态自旋色心产生荧光；

并将微波分为两束，第一束辐射至检测区域，且接收来自检测区域的反射微波，再将反射微波与第二束微波合束后辐射给所述探头；

同时，收集探头产生的荧光；其中，第二束微波的微波功率以及所探测的荧光信号均处于响应曲线的近似直线段对应的区间内，响应曲线为微波功率-荧光信号曲线或微波功率-ODMR谱线对比度曲线；

由所收集的荧光来判断检测区域中是否存在金属构件或判断检测区域中的金属构件是否存在缺陷或比较检测区域中的金属构件的尺寸大小或获取检测区域中的金属构件的位置。

如上所述，本发明的一种基于微波反射的量子传感器及无损检测方法，具有以下有益效果：在激发光对固态自旋色心的激发下，通过设置两束微波，使得其中第一束辐射至检测区域，并将接收的来自检测区域的反射微波与第二束微波合束后辐射给固态自旋色心，以实现反射微波功率的检测，且第二束微波的功率以及所探测的荧光信号均位于响应曲线的近似直线段对应的区间内。由此，能够实现在微波源不需要过高发射功率的条件下，实现荧光与微波功率的线性响应，提高传感器的线性度以及准确性。

附图说明

图1显示为本发明的实施例一中的量子传感器示意图；

图2显示为本发明的ODMR谱线对比度随微波功率变化示意图；

图3显示为本发明的未施加磁场下的ODMR荧光光谱图；

图4显示为本发明的实施例二中的量子传感器示意图；

图5显示为本发明的检测金属杆的荧光光谱图。

元件标号说明：1—光学检测装置；11—光源；12—双色片；13—滤波片；14—光电探测器；15—扩束器；16—物镜；17—成像相机； 2—探头；3—微波发生与辐射装置；31—微波源；32—微波合束器；33—第一微波天线；34—微波分束器；35—第一微波放大器； 36—微波环形器；37—第二微波天线；38—第三微波天线；39—第二微波放大器；30—滤波器；4—数据处理装置；41—锁相放大器；42—上位机；5—磁场组件。

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，本发明提供一种基于微波反射的量子传感器，包括：光学检测装置1、探头2、微波发生与辐射装置3、数据处理装置4；探头2包括固态自旋色心。

如图1所示，微波发生与辐射装置3包括两个微波源31、第一微波放大器35、微波环形器36、第二微波天线37、第三微波天线38、第二微波放大器39、滤波器30、微波合束器32、第一微波天线33，一个微波源31产生的第一束微波经第一微波放大器35、微波环形器36传输至第二微波天线37，由第二微波天线37辐射给检测区域，来自检测区域的反射微波被第三微波天线38接收，并经第二微波放大器39、滤波器30传输至微波合束器32，另一个微波源31产生的第二束微波传输至微波合束器32进行微波功率的合成，经合成后的微波传输至第一微波天线33，由第一微波天线33辐射给探头2。第二微波天线37、第三微波天线38采用并排平行放置的方式。

本实施例中的微波合束器32可采用微波功分器或合路器来实现微波功率的合成。

光学检测装置1包括光源11、光路传输单元、荧光探测单元。本实施例中光源11选用激光器，所产生的激发光亮度高、单色性好，亦可选用其他类型的产生激发光的光源。光路传输单元包括双色片12、滤波片13，荧光探测单元为光电探测器14，将接收的荧光转换成电压信号，此电压信号即为所探测的荧光信号，并传输至数据处理装置4。光源11发射的激发光经双色片12反射后传输至探头2，探头2产生的荧光依次经双色片12透射、经滤波片13滤波后被光电探测器14收集。

本实施例中采用光纤传输激发光和荧光，亦可通过空间光的传输形式。在另一实施例中，双色片12可由光环形器替代，以实现激发光与荧光的分离传输。光路传输单元亦可采用其他传输形式，这里不再赘述。

其中，第二束微波的微波功率以及所探测的荧光信号均处于响应曲线的近似直线段对应的区间内，响应曲线为微波功率-荧光信号曲线或微波功率-ODMR谱线对比度曲线。

固态自旋色心在激发光的作用下激发出荧光，在同时辐射微波时，在激发光功率不变的情况下，对于一特定的微波频率，如图2所示，ODMR（光探测磁共振）谱线对比度C随着微波功率P_MW的变化关系为：

，

上式中，为常数，/>的单位mW，将/>单位换算成dBm，即/>。

ODMR谱线对比度C的公式为：，/>为非微波共振时的荧光信号强度，/>为微波共振时的荧光信号强度。所以， ODMR上共振的荧光信号随微波功率满足相同的变化规律，亦可以将微波功率-荧光信号曲线作为响应曲线。

本实施例中的探头2由金刚石氮空位色心所构成，亦可采用其他含固态自旋色心的探头，例如固态自旋色心可选用碳化硅色心、金刚石锗空位色心、金刚石硅空位色心、六方氮化硼色心中的一种。

本实施例中，为提高所探测信号的信噪比，通过调制解调技术对探测信号进行降噪。进一步的，数据处理装置4包括相连接的锁相放大器41和上位机42，锁相放大器41连接于微波源31以及光电探测器14，用于向微波源31传输调制参数，并对光电探测器14所探测的荧光信号进行解调，微波源31根据调制参数进行微波调制。上位机42用于向锁相放大器41输入调制参数以及接收锁相放大器41的解调信号，解调信号即为降噪处理后的荧光信号，上位机42对解调信号进行直观展示或绘制如图5所示的光谱图，以表征检测区域所反射的微波功率。调制参数包括调制幅值、调制深度等。

如图3所示，在532nm绿色激发光下，扫描微波频率，获取零磁场下NV色心的ODMR荧光光谱。为了消除外界微弱磁场变化对检测结果的影响，优选ODMR中间的谷值频率进行测量。对于其他固态自旋色心可选用与本实施例的激发光的波长相同或不同的激发光来激发色心，使得色心的基态能级跃迁至激发态。

第一微波天线33选用共面波导天线或螺旋天线，位于靠近探头2的位置，第二微波天线37、第三微波天线38选用微带天线，优选为微带贴片天线。

由于第二束微波的微波功率处于如图2中标注的近似直线段a对应的微波功率区间内，第一束微波在辐射至检测区域，并由检测区域反射回来后，其微波功率会有所降低，通过调整第一束微波的功率或同时调整两束微波的功率（第二束微波功率在近似直线段a对应的微波功率区间内调整），使得经合束器合成后的微波功率依旧会处于近似直线段a对应的微波功率区间内，直观探测上表现为所探测的荧光处于近似直线段a对应的谱线对比度区间内。相对于现有技术中单纯采用一束微波的情形，在由检测区域所反射的微波功率过小时，往往需要加大微波源的微波功率，使反射微波处于近似直线段对应的微波功率区间内，不仅对微波源的性能要求高，而且会增大系统以及环境的噪声，降低探测的准确度。而本发明中采用两束微波，即使反射微波的功率过小，也能够使得合束后的微波功率处于近似直线段对应的微波功率区间内。并且，由图2中可知，近似直线段的斜率最大，灵敏度也最大，在此区间能够提高测量的精度。

实施例二：在实施例一的基础上，如图4所示，与实施例一所不同的是，微波发生与辐射装置3包微波源31、微波分束器34、第一微波放大器35、微波环形器36、第二微波天线37、第三微波天线38、第二微波放大器39、滤波器30、微波合束器32、第一微波天线33，微波源31产生的微波经微波分束器34分为两束，第一束经第一微波放大器35、微波环形器36传输至第二微波天线37，由第二微波天线37辐射给检测区域，来自检测区域的反射微波被第三微波天线38接收，并经第二微波放大器39、滤波器30传输至微波合束器32，第二束微波传输至微波合束器32进行微波功率的合成，经合成后的微波传输至第一微波天线33，由第一微波天线33辐射给探头2。

光路传输单元包括扩束器15、双色片12、物镜16、滤波片13，荧光探测单元为成像相机17，光源11发射的激发光依次经扩束器15进行扩束、经双色片12反射后，经物镜16透射至探头2，探头2产生的荧光依次经物镜16、双色片12透射，以及经滤波片13滤波后被成像相机17收集。扩束器15可采用透镜或透镜组合来实现光的扩束与准直。成像相机17对接收的荧光进行成像，并将表征图像信息的信号，一般为图像灰度值作为所探测的荧光信号传输至数据处理装置4，成像相机17可选用CCD相机或CMOS相机。数据处理装置4可采用上位机或上位机与下位机的结合来实现对荧光信号的处理分析，处理分析包括对检测区域的灰度值进行直观展示或灰度分布图的绘制等。本实施例中的探头2采用含NV色心的片状金刚石结构，以形成大范围的宽场成像。探头2位于共面波导天线的中心孔中或中心孔的下方。

本实施例中的量子传感器，还包括磁场组件5，用于对探头2施加偏置磁场。磁场组件5包括永磁铁或电磁铁，位于探头2的一侧或两侧。在偏置磁场的作用下，固态自旋色心ms=±1级发生能级劈裂，对应于每个色心轴向上产生两个共振峰。优选的，选用共振峰所对应的微波频率作为微波反射的频率，或者选用ODMR谱线上斜率最大处所对应的微波频率作为微波反射的频率。

本实施例中的微波分束器34、微波合束器32可采用微波功分器或合路器来实现微波功率的分配与合成。

本实施例中，亦可采用如实施例一中的调制解调方法进行降噪处理，这里不再赘述。

实施例三：本实施例提供一种基于微波反射的量子无损检测方法，来判断检测区域中是否存在金属杆：

向含有固态自旋色心的探头照射激发光，所述激发光用于激发固态自旋色心产生荧光；

并将微波分为两束，第一束辐射至检测区域，且接收来自检测区域的反射微波，再将反射微波与第二束微波合束后辐射给所述探头；

同时，收集探头产生的荧光；其中，通过设置两束微波的功率，使得第二束微波的微波功率以及所探测的荧光信号均处于微波功率-荧光响应曲线的近似直线段对应的区间内；

由所收集的荧光来判断检测区域中是否存在金属杆。

本实施例中的检测方法可基于实施例一或实施例二中的量子传感器来实施。

本实施例中，第一束微波与第二束微波的功率比为1：1，两束微波的功率均为5dbm，第二束微波功率位于微波功率-荧光信号曲线的近似直线段对应的微波功率区间内，经合束后所测得的荧光信号位于响应曲线的近似直线段对应的荧光信号区间内（荧光信号采用光电探测器探测的电压值表示）。图5中，示例性检测了多个区域，每个区域的位置采用与设定的起始原点的距离来表示，标记b、c、d、e、f、g的位置区域的荧光光谱出现峰值，与其他区域不同，表明此六个位置处存在金属杆。

在上述实施例中，检测结果还可以是判断检测区域中的金属构件是否存在缺陷，有缺陷和无缺陷的金属对微波功率的反射量和/或反射距离不同，反射后被固态自旋色心感应到的微波功率亦不同，在获取的荧光光谱曲线上会出现不同的响应。

检测结果还可以是比较检测区域中的金属构件的尺寸大小，不同尺寸的金属构件微波反射范围不同，针对不同直径的金属杆所测得的荧光的峰形不同，具体为峰的半高宽与金属杆的直径呈正相关，半高宽值较大的金属杆的直径也较大。如图5所示，因为检测的六根金属杆的直径相同，其峰的半高宽基本相同。基于此，通过比较荧光光谱图中响应峰的半高宽即可比较金属构件的尺寸大小。

检测结果还可以是获取检测区域中的金属构件的位置。根据判别出的金属构件所对应的荧光光谱出现的响应时间，来判断金属构件相对检测装置的距离从而确定金属构件的位置。

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 (7)

1.一种基于微波反射的量子传感器，其特征在于，所述传感器包括：光学检测装置（1）、探头（2）、微波发生与辐射装置（3）、连接于所述光学检测装置（1）的数据处理装置（4）；所述探头（2）包括固态自旋色心；

所述微波发生与辐射装置（3）用于产生微波，并将微波分为两束，第一束微波用于辐射给检测区域，以及接收来自检测区域的反射微波，并将其与第二束微波合束后辐射给探头（2）；所述微波发生与辐射装置（3）包括两个微波源（31）、微波辐射单元、微波接收单元、微波合束器（32）、第一微波天线（33），一个微波源（31）产生的第一束微波传输至微波辐射单元，由微波辐射单元辐射给检测区域，来自检测区域的反射微波被微波接收单元接收，并被传输至微波合束器（32），另一个微波源（31）产生的第二束微波传输至微波合束器（32）；或者所述微波发生与辐射装置（3）包括微波源（31）、微波分束器（34）、微波辐射单元、微波接收单元、微波合束器（32）、第一微波天线（33），微波源（31）产生的微波经微波分束器（34）分为两束，第一束传输至微波辐射单元，由微波辐射单元辐射给检测区域，来自检测区域的反射微波被微波接收单元接收，并被传输至微波合束器（32），第二束微波传输至微波合束器（32）；微波合束器（32）用于进行微波功率的合成，经合成后的微波传输至第一微波天线（33），由第一微波天线（33）辐射给探头（2）；微波辐射单元包括依次连接的第一微波放大器（35）、微波环形器（36）、第二微波天线（37），第二微波天线（37）用于将微波辐射给检测区域，微波接收单元包括依次连接的第三微波天线（38）、第二微波放大器（39）、滤波器（30），来自检测区域的反射微波被第三微波天线（38）接收，并经第二微波放大器（39）、滤波器（30）传输至微波合束器（32）；

所述光学检测装置（1）用于向所述探头（2）照射激发光，并探测由探头（2）产生的荧光，再将探测的荧光信号传输至数据处理装置（4），所述激发光用于激发固态自旋色心产生荧光；其中，第二束微波的微波功率以及所探测的荧光信号均处于响应曲线的近似直线段对应的区间内，响应曲线为微波功率-荧光信号曲线或微波功率-ODMR谱线对比度曲线；

数据处理装置（4）用于处理分析所述荧光信号，并由所述荧光信号来表征检测区域所反射的微波功率。

2.根据权利要求1所述的基于微波反射的量子传感器，其特征在于：所述光学检测装置（1）包括光源（11）、光路传输单元、荧光探测单元，所述光源（11）发射的激发光经光路传输单元传输至探头（2），探头（2）产生的荧光经光路传输单元传输至荧光探测单元被收集。

3.根据权利要求2所述的基于微波反射的量子传感器，其特征在于：光路传输单元包括双色片（12）或光环形器、滤波片（13），所述荧光探测单元为光电探测器（14）；或所述光路传输单元包括扩束器（15）、双色片（12）、物镜（16）、滤波片（13），所述荧光探测单元为成像相机（17）。

4.根据权利要求1所述的基于微波反射的量子传感器，其特征在于：数据处理装置（4）包括相连接的锁相放大器（41）和上位机（42），锁相放大器（41）连接于微波发生与辐射装置（3）以及光学检测装置（1），用于向微波发生与辐射装置（3）传输调制参数，并对光学检测装置（1）所探测的荧光信号进行解调，上位机（42）用于向锁相放大器（41）传输调制参数以及接收锁相放大器（41）的解调信号。

5.根据权利要求1所述的基于微波反射的量子传感器，其特征在于：还包括磁场组件（5），用于向所述探头（2）施加偏置磁场。

6.根据权利要求1所述的基于微波反射的量子传感器，其特征在于：所述固态自旋色心为金刚石氮空位色心、碳化硅色心、金刚石锗空位色心、金刚石硅空位色心、六方氮化硼色心中的一种。

7.一种基于微波反射的量子无损检测方法，其特征在于，采用权利要求1-6中任一项所述的基于微波反射的量子传感器进行检测，所述方法包括：

向含有固态自旋色心的探头照射激发光，所述激发光用于激发固态自旋色心产生荧光；

并将微波分为两束，第一束辐射至检测区域，且接收来自检测区域的反射微波，再将反射微波与第二束微波合束后辐射给所述探头；

同时，收集探头产生的荧光；其中，第二束微波的微波功率以及所探测的荧光信号均处于响应曲线的近似直线段对应的区间内，响应曲线为微波功率-荧光信号曲线或微波功率-ODMR谱线对比度曲线；

由所收集的荧光来判断检测区域中是否存在金属构件或判断检测区域中的金属构件是否存在缺陷或比较检测区域中的金属构件的尺寸大小或获取检测区域中的金属构件的位置。