CN219831353U - 一种基于金刚石nv色心和克尔效应的磁检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，实现了基于磁光克尔效应的磁性检测技术与基于NV色心的磁性检测技术的光源和光路的共用，将两种磁性检测技术结合并极大地简化了设备结构；使得探测模块接收到的光信号的强度提高，减少了信号中的噪声干扰，从而提高了磁性检测的精度；可以同时满足快速检测、高分辨率检测的需求，并在保证检测精度的同时，提高整体的检测速度。

Description

一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置

技术领域

本实用新型属于磁性材料测量技术领域，涉及物体的磁性检测，具体涉及一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置。

背景技术

对于磁性材料的磁化状态的测量，在物理学、材料学、电子学以及工业生产中都具有重要意义。近些年，出现了一种利用金刚石中氮-空位色心（以下简称NV色心）的磁性测量方法。其原理是以带有NV色心的金刚石作为探针前端，置于待测样品附近，NV色心在样品漏磁场的作用下，自旋状态受磁场影响发生塞曼能级劈裂。利用微波操控自旋，并用激光激发跃迁后，通过观察和分析NV色心辐射的荧光数据，能够探测微小的磁场信号。在此基础上，进一步结合高精度位移台来移动样品，可以实现对样品不同位置的表面漏磁场的探测，从而实现样品磁性的扫描或成像。得益于NV色心的微小体积和高精度，此方法可以实现纳米级别的空间分辨率的磁性检测，但同时导致了扫描所需时间过长的问题。

基于磁光克尔效应的磁性检测技术是通过向被测物发射一束偏振光并检测被测物反射的光的偏振态，对被测物的磁性进行检测的技术。当偏振光汇聚于被测物上的一点时，能够对该点的磁性进行测量。在此基础上，进一步结合高精度位移台来移动样品，可以实现对样品不同位置的磁性测量，从而实现样品磁性的扫描或成像。得益于磁光克尔效应近乎实时发生，但是基于磁光克尔效应的磁性检测技术的检测速度较快，但由于光学衍射极限，基于磁光克尔效应的磁性检测的分辨率很难优于200nm。

为了发挥基于磁光克尔效应的磁性检测技术与基于NV色心的磁性检测技术的优势，通常希望将二者进行结合，但是，由于二者的光学系统和操作方法不同，难以实现两种成像技术的结合。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本实用新型背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

实用新型内容

针对现有技术存在的基于磁光克尔效应的磁性检测技术与基于NV色心的磁性检测技术难以结合的技术问题，本实用新型提供了一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，其特征在于：包括光源模块、荧光探测模块、克尔效应探测模块、金刚石NV色心探针模块、位移台，所述位移台用于承托并移动被测物，所述金刚石NV色心探针模块包括用于操控所述NV色心的自旋的微波发射装置、设置有NV色心的探针，所述探针的所述NV色心贴近所述被测物的被测位置，所述光源模块发出的光至少包括偏振光、使所述NV色心发出荧光的光，所述光源模块发出的光照射至所述NV色心以及所述被测物的所述被测位置；所述磁检测装置还包括二向色镜，所述二向色镜被构造成能够对绿光和红光偏折至不同方向的形式，所述光源模块发出的光大体呈绿色，所述被测物反射的光、所述NV色心发出的荧光经所述二向色镜分解为红光、绿光，经所述二向色镜分解出的所述红光进入所述荧光探测模块，经所述二向色镜分解出的所述绿光进入所述克尔效应探测模块。

可选地，所述光源模块包括光源、起偏器，所述光源发出的光为大体呈绿色的单色激光，所述光源发出的单色激光经过所述起偏器后形成偏振光并出射所述光源模块。

进一步优选地，所述光源与所述起偏器之间的光路中设置有透镜。

进一步优选地，所述光源模块还包括光纤，所述光源发出的光经过所述光纤传播。

再进一步地，所述光源模块还包括光纤耦合器，所述光纤耦合器设置于所述光纤的出光端，所述光源发出的光经过所述光纤并自所述光纤耦合器出射。

进一步优选地，所述光源模块还包括光调制器，所述光调制器设置于所述光纤。

可选地，所述光源模块包括单色光源、偏振光源，所述单色光源发出大体呈绿色的单色激光，所述偏振光源包括激光源、起偏器，所述激光源发出的光经起偏器后形成偏振光，所述单色激光与所述偏振光合束后出射所述光源模块。

进一步可选地，所述光源模块还包括合束镜，所述单色光源发出的光与所述偏振光源发出的光的其中之一透射所述合束镜、其中另一被所述合束镜反射，经过所述合束镜的所述单色光源发出的光与所述偏振光源发出的光沿同一光轴传播。

可选地，所述克尔效应探测模块包括沃拉斯顿棱镜、平衡探测器，所述被测物反射的光经所述沃拉斯顿棱镜分为两束并分别进入所述平衡探测器，所述平衡探测器根据接收到的两束光的偏振态输出相应信号。

可选地，所述磁检测装置还包括分光镜，所述光源模块发出的光经所述分光镜照射至所述NV色心、被测物；所述NV色心发出的荧光经所述分光镜进入所述荧光探测模块；所述被测物反射的光经所述分光镜进入所述克尔效应探测模块。

优选地，所述荧光探测模块包括滤波片、光电探测器，所述滤波片被构造成能够使所述NV色心发出的所述荧光通过、使所述荧光外的其他光被阻挡的形式。

进一步地，所述滤波片的通带为600nm-700nm。

优选地，所述光源模块发出的光的波长为450nm-600nm。

可选地，所述磁检测装置还包括显微镜物镜，照射至所述被测物的光经所述显微镜物镜汇聚于所述被测位置、NV色心，所述被测物反射的光、所述NV色心发出的荧光经所述显微镜物镜偏折后分别进入所述克尔效应探测模块、荧光探测模块。

本实用新型至少具有以下有益效果：实现了基于磁光克尔效应的磁性检测技术与基于NV色心的磁性检测技术的光源和光路的共用，将两种磁性检测技术结合并极大地简化了设备结构；使得探测模块接收到的光信号的强度提高，减少了信号中的噪声干扰，从而提高了磁性检测的精度；可以同时满足快速检测、高分辨率检测的需求，并在保证检测精度的同时，提高整体的检测速度。

附图说明

图1为本实用新型的一种实施方式的整体结构示意图。

图2为本实用新型的另一种实施方式的整体结构示意图。

图3为本实用新型的又一种实施方式的整体结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、清晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

请参阅图1至图3，本实用新型提供了一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，包括光源模块100、荧光探测模块200、克尔效应探测模块300、金刚石NV色心探针模块600、位移台400，位移台400用于承托并移动被测物500，金刚石NV色心探针模块600包括用于操控NV色心610的自旋的微波发射装置620、带有NV色心610的探针630，探针630的NV色心610贴近被测物500的被测位置，光源模块100发出的光至少包括偏振光、使NV色心610发出荧光的光，光源模块100发出的光照射至NV色心610以及被测物500的被测位置；磁检测装置还包括二向色镜700，二向色镜700被构造成能够对绿光和红光偏折至不同方向的形式，光源模块100发出的光大体呈绿色，被测物500反射的光、NV色心610发出的荧光经二向色镜700分解为红光、绿光，经二向色镜700分解出的红光进入荧光探测模块200，经二向色镜700分解出的绿光进入克尔效应探测模块300。

光源模块100发出的光照射至NV色心610并使NV色心610发出荧光，根据NV色心自身的机理可知，该荧光大体呈红色，因此，经二向色镜700分解后的红光中绝大部分为NV色心610的荧光，也就是说，进入荧光探测模块200的光，绝大部分为NV色心610的荧光；光源模块100发出的光照射至被测物500并被被测物500反射，由于光源模块100发出的光大体呈绿色，且磁光克尔效应并不影响光的波长，因而被测物500反射的携带有被测物500的磁性信息的光依然大体呈绿色，因此，经二向色镜700分解后的绿光中绝大部分为被测物500反射的光，也就是说，进入克尔效应探测模块300的光，绝大部分为被测物500反射的光。

根据前述内容可知，通过光源模块100实现了基于磁光克尔效应的磁性检测技术与基于NV色心的磁性检测技术的光源和光路的共用，将两种磁性检测技术结合并极大地简化了设备结构；通过二向色镜，实现了将被测物500反射的光、NV色心610的荧光的分离，由于二向色镜700在对红光、绿光进行分解时能够使其中之一几乎完全透过，其中另一几乎完全反射，光能量损耗小，使得荧光探测模块200、克尔效应探测模块300所接收到的光信号的强度提高，减少了信号中的噪声干扰，从而提高了磁性检测的精度。

使用时，光源模块100发出的至少包括偏振光的光投射至被测物500，被测物500反射的光的偏振态受到被测物500的被测位置的影响发生变化，被测物500反射的光至少经二向色镜进入克尔效应探测模块300，克尔效应探测模块300根据接收到的光的偏振态，输出相应的信号，外部设备进一步分析该信号从而得出被测物500的相应位置的磁性。通过位移台400移动被测物500，使得光源模块100发出的光在被测物500表面沿着预设轨迹扫描，结合相应时间下克尔效应检测模块300输出的信号，获得相应轨迹中各个位置的磁性，进而实现对被测物500的磁性的扫描检测，或者进一步地，根据扫描检测结果，进一步对被测物500的被检测区域的磁性进行成像。由于基于磁光克尔效应的磁性检测技术的检测速度较快，因此，利用克尔效应检测模块300输出的信号进行被测物500的检测的进行速度较快，可以快速地对被测物500进行初步检测并便于选择需要以更高的分辨率进一步检测的区域。

选定了进一步检测的区域后，通过微波发射装置620发射电磁脉冲序列以操控NV色心610的自旋状态，在NV色心610的自旋状态调整完毕后，光源模块100发出的至少包括能够使NV色心610产生荧光的光投射至NV色心610，NV色心610在光源模块100发出的光的作用下发出荧光，NV色心610贴近被测物500的被测位置，因此NV色心610的荧光受到被测物500的被测位置的磁性的影响，荧光至少经二向色镜进入荧光探测模块200，荧光探测模块200根据接收到的荧光，输出相应的信号，外部设备进一步分析该信号从而得出被测物500的相应位置的磁性。通过位移台400移动被测物500，使得NV色心610与被测物500之间出现相对位置变化并沿着预设轨迹扫描，结合相应时间下荧光探测模块200输出的信号，获得相应轨迹中各个位置的磁性，进而实现对被测物500的磁性的扫描检测，或者进一步地，根据扫描检测结果，进一步对被测物500的被检测区域的磁性进行成像。由于基于NV色心的磁性检测技术的检测分辨率较高，因此能够对待检测区域的磁性进行更高分辨率的检测或成像，从而满足更高分辨率的检测需求。

通过前述的分步检测，先进行基于克尔效应的磁性检测以进行初步成像并确定进一步检测的区域，并使用基于NV色心的磁性检测对该区域进行进一步检测，仅对需要进行高分辨率检测区域进行基于NV色心的磁性检测，可以同时满足快速检测、高分辨率检测的需求，并在保证检测精度的同时，提高整体的检测速度。

需要说明的是，NV色心610大体透明，即使NV色心610设置于被测物500上方的光路中，照射至被测物500的光、被测物500反射的光均能够穿过NV色心610，且NV色心610对穿过其自身的光的偏振态的影响极小，以至于该影响在基于磁光克尔效应的磁性检测当中可以忽略。因此，当采用同一光源模块100时，无需考虑NV色心610在光路中的遮挡问题，极大地简化了光路结构。

作为一种光源模块100的实施方式，请参阅图1，光源模块100包括光源110、起偏器120，光源110发出的光为大体呈绿色的单色激光，光源110发出的单色激光经过起偏器120后形成偏振光并出射光源模块100。通过该方式得到的光源模块100的出射光，既为可用于基于克尔效应的磁性检测的偏振光、又为可激发NV色心的荧光的绿色光，无需更换光源模块100或光源模块100的任何组件，即可同时用于基于磁光克尔效应的与基于NV色心的磁性检测，极大地简化了光路和相应的设备结构，且在不同的检测模式下无需切换光路，使光路和光便于保持稳定，减少调试时间，提高使用效率。

图1中示出了光源模块100的更丰富的实现形式，其中，光源110与起偏器120之间可设置透镜130，以对光源110的光进行调整以满足相应的检测需求。透镜130也可以根据需要，选择相应的透镜组以实现与透镜130相似的功能。此外，还可以设置光纤140，使光源110发出的光经过光纤140传播，使光源110的位置设置更加灵活。更进一步地，当采用光纤140进行光的传播时，还可以设置光纤耦合器160，例如，可以在光纤140的出光端设置光纤耦合器160，从而使光源110发出的光经过光纤140并自光纤耦合器160出射，从而便于在相应的设备中进行安装和调整。还可以根据需要，设置光调制器150，以对光源模块100出射的光进行调制或控制通断，例如，在图1中示出的光源模块100的实施方式中，光调制器150设置于光纤140。

图2示出了光源模块100的另一种实现形式，其中，光源模块100包括单色光源112、偏振光源，单色光源112发出大体呈绿色的单色激光，偏振光源包括激光源111、起偏器120，激光源111发出的光经起偏器120后形成偏振光，单色光源112发出的单色激光与偏振光源发出的偏振光合束后出射光源模块100。更进一步地，可以通过合束镜130对前述的单色激光和偏振光合束，具体地，请参阅图2，光源模块100还包括合束镜130，单色光源112发出的光与偏振光源发出的光的其中之一透射合束镜130、其中另一被合束镜130反射，经过合束镜的单色光源112发出的光与偏振光源发出的光沿同一光轴传播。在图2中，单色光元112发出的光被合束镜130反射，偏振光源发出的光投射合束镜130，自合束镜130出射的光沿同一光轴传播，从而使得光源模块100出射的光呈现为一束光的形式。

请参阅图1、图2，克尔效应探测模块300包括沃拉斯顿棱镜310、平衡探测器321、322，被测物500反射的光经沃拉斯顿棱镜310分为两束并分别进入平衡探测器321、322，平衡探测器321、322根据接收到的两束光的偏振态输出相应信号。沃拉斯顿棱镜310能够将光分解为偏振态相互垂直的两束光，因而通过平衡探测器321、322接收分解后的两束光，通过平衡探测器321、322对各自接收到的光进行比对分析，可以对被测物500反射的光的克尔转角进行测量，从而得能够对被测物500的磁性及磁性强弱进行检测。

请参阅图1、图2，为了进一步磁检测装置还包括分光镜800，光源模块100发出的光经分光镜800照射至NV色心610、被测物500；NV色心610发出的荧光经分光镜800进入荧光探测模块200；被测物500反射的光经分光镜800进入克尔效应探测模块300。通过设置分光镜800，使光源模块100发出的光可沿垂直于被测物500的方向入射至被测物500，被测物500反射的光沿着垂直于被测物500的方向传播，使被测物500的入射光、反射光沿同一路径传播，进一步减小光路所占空间。

为了更进一步地提升荧光探测模块200的检测精度，荧光探测模块200包括滤波片220、光电探测器210，滤波片220被构造成能够使NV色心610发出的荧光通过、使荧光外的其他光被阻挡的形式，例如，滤波片220的通带为600nm-700nm，光电探测器210根据接收到的荧光的至少包括强弱的信息，计算相应位置的被测物500的磁性。

优选地，为了使光源模块100发出的光能够使NV色心610产生荧光，光源模块100发出的光的波长为450nm-600nm。

请参阅图1、图2，为了更进一步地使向被测物500或NV色心610传播的光汇聚，本实用新型提供的磁检测装置还可以包括显微镜物镜900，照射至被测物500的光经显微镜物镜900汇聚于被测位置、NV色心610，被测物500反射的光、NV色心610发出的荧光经显微镜物镜900偏折后分别进入克尔效应探测模块300、荧光探测模块200。

图1、图2示出了光源模块100发出的光沿垂直方向入射被测物500的形式，可以理解的是，光源模块100发出的光还可以以一定角度入射被测物500，请参阅图3，示出了一种光源模块100发出的光以一定角度入射被测物500的实施方式的示意图，与图1、图2的主要差异在于，光源模块100发出的光倾斜入射至被测物500并沿着相应的反射光路反射，用于NV色心610发出的荧光没有明确的指向性，因此可以根据被测物500反射的光的光路，设置相应的二向色镜700、荧光探测模块200、克尔效应探测模块300的位置。对于具体的检测方式和检测原理，请参阅前述内容，在此不再赘述。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和优点，因此以上所述仅为本实用新型的实施例。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还包括各种等效变化和改进，这些变化和改进都将落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (10)

1.一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，其特征在于：包括光源模块、荧光探测模块、克尔效应探测模块、金刚石NV色心探针模块、位移台，所述位移台用于承托并移动被测物，所述金刚石NV色心探针模块包括用于操控所述NV色心的自旋的微波发射装置、设置有NV色心的探针，所述探针的所述NV色心贴近所述被测物的被测位置，所述光源模块发出的光至少包括偏振光、使所述NV色心发出荧光的光，所述光源模块发出的光照射至所述NV色心以及所述被测物的所述被测位置；

所述磁检测装置还包括二向色镜，所述二向色镜被构造成能够对绿光和红光偏折至不同方向的形式，所述光源模块发出的光大体呈绿色，所述被测物反射的光、所述NV色心发出的荧光经所述二向色镜分解为红光、绿光，经所述二向色镜分解出的所述红光进入所述荧光探测模块，经所述二向色镜分解出的所述绿光进入所述克尔效应探测模块。

2.如权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，其特征在于：所述光源模块包括光源、起偏器，所述光源发出的光为大体呈绿色的单色激光，所述光源发出的单色激光经过所述起偏器后形成偏振光并出射所述光源模块。

3.如权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，其特征在于：所述光源模块包括单色光源、偏振光源，所述单色光源发出大体呈绿色的单色激光，所述偏振光源包括激光源、起偏器，所述激光源发出的光经起偏器后形成偏振光，所述单色激光与所述偏振光合束后出射所述光源模块。

4.如权利要求3所述的一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，其特征在于：所述光源模块还包括合束镜，所述单色光源发出的光与所述偏振光源发出的光的其中之一透射所述合束镜、其中另一被所述合束镜反射，经过所述合束镜的所述单色光源发出的光与所述偏振光源发出的光沿同一光轴传播。

5.如权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，其特征在于：所述克尔效应探测模块包括沃拉斯顿棱镜、平衡探测器，所述被测物反射的光经所述沃拉斯顿棱镜分为两束并分别进入所述平衡探测器，所述平衡探测器根据接收到的两束光的偏振态输出相应信号。

6.如权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，其特征在于：所述磁检测装置还包括分光镜，所述光源模块发出的光经所述分光镜照射至所述NV色心、被测物；所述NV色心发出的荧光经所述分光镜进入所述荧光探测模块；所述被测物反射的光经所述分光镜进入所述克尔效应探测模块。

7.如权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，其特征在于：所述荧光探测模块包括滤波片、光电探测器，所述滤波片被构造成能够使所述NV色心发出的所述荧光通过、使所述荧光外的其他光被阻挡的形式。

8.如权利要求7所述的一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，其特征在于：所述滤波片的通带为600nm-700nm。

9.如权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，其特征在于：所述光源模块发出的光的波长为450nm-600nm。

10.如权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁检测装置，其特征在于：所述磁检测装置还包括显微镜物镜，照射至所述被测物的光经所述显微镜物镜汇聚于所述被测位置、NV色心，所述被测物反射的光、所述NV色心发出的荧光经所述显微镜物镜偏折后分别进入所述克尔效应探测模块、荧光探测模块。