一种微波场场强测量系统及测量方法与流程

本发明属于微波场场强测量技术领域，尤其涉及一种微波场场强测量系统及测量方法。

背景技术：

精密的微波场测量技术对于微波技术的发展有着重大意义。传统天线技术中，微波场场强测量技术主要有量热法、峰值调制技术以及共面波导探测技术，天线偏振特性轴比的测量则是通过辅助的线极化天线测量。当代的通信技术、快电子学以及磁共振技术的发展，催生着对于纳米级、高灵敏矢量微波场强与极化特性表征技术的高需求。虽然有一些高空间分辨率的微波场表征技术如squid、冷原子、自旋霍尔效应薄膜等出现，但是或者需要苛刻的温度条件或者无法探测矢量场这些特点限制了它们的应用范围。

量热法只能测量微波功率，易受测量环境的温度变化干扰；峰值调制技术测量范围有限；共面波导技术需要进行矫正。上述三种微波场场强测量技术均难以进行高分辨率测量。为实现高分辨率测量，本领域的技术人员利用金刚石中nv色心的电子自旋实现高分辨率、高灵敏度、矢量、偏振微波场的测量。nv色心是指金刚石晶体中一个替位n原子和一个c原子空位配对并捕获一个电子可以形成一个电子自旋s＝1的缺陷体系。由于金刚石中的nv色心是原子级尺寸，在室温下具有很好的稳定性，可以自旋光极化和读取，并且具有较长的自旋相干时间，基于光与原子相互作用，可以利用nv色心进行高灵敏度、高分辨率的微波场传感。但是现有的基于金刚石中nv色心进行微波场传感的技术多是基于共聚焦扫描技术，对特定点进行磁场传感，要进行2d或者3d的微波场表征需要长时间的扫描测量，耗时长。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种微波场场强测量系统及测量方法，以解决现有技术中微波场测量及表征耗时长的技术问题。

本发明提供了一种微波场场强测量系统，包括：宽场显微装置、具有nv色心系综的金刚石芯片、偏置磁铁、微波源及ccd相机；所述宽场显微装置中的物镜下方依次设置具有nv色心系综的金刚石芯片及偏置磁铁，所述具有nv色心系综的金刚石芯片的nv色心位于物镜焦平面位置，所述宽场显微装置的输出端与所述ccd相机的输入端连接，所述微波源的信号传输线位于具有nv色心系综的金刚石芯片上。

进一步地，所述宽场显微装置包括激光器，沿所述激光器的激光出射路径依次设置的第一透镜、声光调制器、第二透镜、反射镜、第三透镜、双色片及物镜；沿所述双色片的反射路径依次设置的第四透镜及滤光镜，所述滤光镜的出射光线进入所述ccd相机。

进一步地，所述偏置磁铁为永磁铁或电磁铁或超导磁铁。

本发明还提供了一种基于上述微波场测量系统的测量方法，包括：

将待测芯片放在物镜上；

利用定性的方法测得σ^-及σ⁺圆极化微波场的分布或者利用定量的方法测得每一像素点的σ^-圆极化微波场的强度b-及每一像素点的σ⁺圆极化微波场的强度b+。

进一步地，利用定量方法测得每一像素点σ^-圆极化微波场的强度b-及每一像素点σ⁺圆极化微波场的强度b+后，还包括：

计算每个像素点的轴比值ar：

进一步地，所述利用定性的方法测得σ^-圆极化微波场的分布，包括：

调节偏置磁场，通过odmr扫描的方式，使轴向垂直于金刚石表面的nv色心电子自旋能级跃迁频率与待测芯片的载波频率共振；

计算每一像素点在有微波场激发下的荧光强度与无微波场激发下的荧光强度差；

利用荧光强度差与无微波场情况下的荧光强度对比值计算得到σ^-圆极化微波场的分布。

进一步地，所述利用定性的方法测得σ⁺圆极化微波场的分布，包括：

反向调节偏置磁场，通过odmr扫描的方式，使轴向垂直于金刚石表面的nv色心电子自旋能级跃迁频率与待测芯片的载波频率共振；

计算每一像素点在有微波场激发下的荧光强度与无微波场激发下的荧光强度差；

利用荧光强度差与无微波场情况下的荧光强度对比值计算得到σ⁺圆极化微波场的分布。

进一步地，所述利用定量的方法测得每一像素点的σ^-圆极化微波场的强度b-，包括：

调节偏置磁场，通过odmr扫描的方式，使轴向垂直于金刚石表面的nv色心电子自旋能级跃迁频率与待测芯片的载波频率共振；

利用rabi测量序列，测量每一个像素点的自旋调控频率ωrabi；

计算σ^-圆极化微波场的强度b_：

其中，γnv≈2.8mhz/gauss是nv色心电子自旋的旋磁比。

进一步地，所述利用定量的方法测得每一像素点的σ⁺圆极化微波场的强度b+，包括：

反向调节偏置磁场，通过odmr扫描的方式，使轴向垂直于金刚石表面的nv色心电子自旋能级跃迁频率与待测芯片的载波频率共振；

利用rabi测量序列，测量每一个像素点的自旋调控频率ωrabi；

计算σ⁺圆极化微波场的强度b+：

其中，γnv≈2.8mhz/gauss是nv色心电子自旋的旋磁比。

本发明与现有技术相比存在的有益效果是：

本发明中，采用宽场显微成像技术，能够进行快速的微波场测量及表征。利用本发明中的定性测量微波场场强可以达到db量级、定量测量微波场场强可以达到nt量级，精度高。另外，本发明所得轴比可以做到微纳米尺度测量，而传统的测量较为宏观。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中nv色心形成过程示意图；

图2为本发明中nv色心能级跃迁示意图；

图3为本发明中nv色心基态电子能级在磁场作用下的塞曼效应示意图；

图4为本发明实施例提供的一种微波场场强测量系统的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种微波场场强测量方法的整体流程图；

图6是本发明实施例提供的一种微波场场强测量方法中定性测量方法流程图；

图7是本发明实施例提供的一种微波场场强测量方法中定量测量方法流程图。

图4中，1为激光器、2为第一透镜、3为声光调制器、4为第二透镜、5为反射镜、6为第三透镜、7为双色片、8为物镜、9为共面波导、10为具有nv色心系综的金刚石芯片、11为微波源、12为偏置磁铁、13为第四透镜、14为滤光镜、15为ccd相机。

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。

为了说明本发明所述的技术方案，首先对nv色心的形成过程、能级跃迁原理及基态电子能级在磁场作用下的塞曼效应进行阐述。

nv色心的形成过程参见图1：金刚石中一个替位n原子与一个空穴配对并捕获一个电子形成nv色心；

nv色心的能级跃迁原理见图2：nv色心经过激光激发，从基态³a2到激发态³e，激发态电子从高能态到基态发出荧光，其中ms＝±1态的电子较ms＝0态的电子多经过不产生荧光的中间态1a，故可以通过荧光强度进行电子态读取。

基态电子能级在磁场作用下的塞曼效应见图3：基态电子能级在磁场作用下的塞曼效应，通过加载磁场调节跃迁频率。

下面通过具体实施例来进行说明。

本申请的实施例提出了一种微波场场强测量系统，见图4，该实施例包括：宽场显微装置、具有nv色心系综的金刚石芯片10、偏置磁铁12、微波源11及ccd相机15；所述宽场显微装置中的物镜8下方依次设置具有nv色心系综的金刚石芯片10及偏置磁铁12，所述具有nv色心系综的金刚石芯片10的nv色心位于物镜8焦平面位置，所述宽场显微装置的输出端与所述ccd相机15的输入端连接，所述微波源11的信号传输线位于具有nv色心系综的金刚石芯片10上。

其中，宽场显微装置包括激光器1，沿所述激光器的激光出射路径依次设置的第一透镜2、声光调制器3、第二透镜4、反射镜5、第三透镜6、双色片7及物镜8；沿所述双色片7的反射路径依次设置的第四透镜13及滤光镜14，所述滤光镜14的出射光线进入所述ccd相机15。偏置磁铁12为永磁铁或电磁铁或超导磁铁。

其中，激光器1用于光源产生，激光器1产生的为500nm-600nm激光光源，能够进行nv色心自旋态初始化和读取，不会损害nv色心自旋和光学性质。第一透镜2将入射激光聚焦到声光调制器3晶体范围内，用于光脉冲控制；第二透镜4与第一透镜2组合用于光束宽度调节；第三透镜6将光束聚焦到物镜8的焦点，实现后焦面显微成像，光线平行照射到具有nv色心系综的金刚石芯片10上；具有nv色心系综的金刚石芯片10在物镜焦平面的位置；从nv色心发出的荧光经过物镜8从双色片7与激发光分离，反射到第四透镜13，经滤波器14聚焦到ccd相机15上实现光信号的读取。双色片7，激发光投射，红色荧光反射，滤波片滤除激光波长以及其他杂光。

本申请的微波场场强测量系统，利用了宽场显微装置，能够进行快速的微波场测量及表征。

本申请以共面波导9(cpw)表面水平方向辐射微波场的探测为例，选用晶格方向为(111)方向的金刚石阐述本发明所述一种微波场场强测量方法，其流程如图5所示，具体包括：

步骤s10：将待测芯片放在物镜上；

步骤s20：利用定性的方法测得σ^-及σ⁺圆极化微波场的分布或者利用定量的方法测得每一像素点的σ^-圆极化微波场的强度b-及每一像素点的σ⁺圆极化微波场的强度b+。

根据使用需求，可采用定性或者定量的方法获得待测芯片的微波场强度。如采用定性方法，其测量速度快，但是所得结果为db量级。如采用定量方法，则可以达到nt量级，精度高。

采用定性的方法获得待测芯片的微波场的强度，其流程如图6所示，具体为：

步骤s201：调节偏置磁场，通过odmr扫描的方式，使轴向垂直于金刚石表面的nv色心电子自旋能级跃迁频率与待测芯片的载波频率共振；

步骤s202：计算每一像素点在有微波场激发下的荧光强度与无微波场激发下的荧光强度差；

利用荧光强度差与无微波场情况下的荧光强度对比值计算得到σ^-圆极化微波场的分布：

其中荧光强度pl是与微波场场强bmw，频率面以及激发光强相关量s的函数。

金刚石nv色心是一种光学性质极好的缺陷，在波长500nm-600nm的光激发下，处于不同基态的nv色心能够发出不同强度的荧光，而微波可以改变nv色心基态状态，利用这一特性可以通过记录nv色心所发射的荧光的变化来得到待测芯片的微波场强度。

步骤s203：反向调节偏置磁场，通过odmr扫描的方式，使轴向垂直于金刚石表面的nv色心电子自旋能级跃迁频率与待测芯片的载波频率共振；

步骤s204：计算每一像素点在有微波场激发下的荧光强度与无微波场激发下的荧光强度差；

利用荧光强度差与无微波场情况下的荧光强度对比值计算得到σ⁺圆极化微波场的分布。

步骤s205：定性的得到σ^-，σ⁺圆极化微波场的分布。

采用定量的方法获得待测芯片的微波场的强度，其流程如图7所示，具体为：

步骤s2011：调节偏置磁场，通过odmr扫描的方式，使轴向垂直于金刚石表面的nv色心电子自旋能级跃迁频率与待测芯片的载波频率共振；

步骤s2012：利用rabi测量序列，测量每一个像素点的自旋调控频率ωrabi；

计算σ^-圆极化微波场的强度b_：

其中，γnv≈2.8mhz/gauss是nv色心电子自旋的旋磁比。

当能级跃迁频率与待测芯片的载波频率共振，nv色心所发出荧光的强度会产生震荡，即rabi振荡，rabi振荡的频率对应于垂直于该nv色心主轴方向的微波磁矢量场强度。因此，可以定量的得到圆极化微波场的强度。

步骤s2013：反向调节偏置磁场，通过odmr扫描的方式，使轴向垂直于金刚石表面的nv色心电子自旋能级跃迁频率与待测芯片的载波频率共振；

步骤s2014：利用rabi测量序列，测量每一个像素点的自旋调控频率ωrabi；

计算σ⁺圆极化微波场的强度b+：

其中，γnv≈2.8mhz/gauss是nv色心电子自旋的旋磁比。

步骤s2015：定量的得到b-与b+；

步骤s2016：计算每个像素点的轴比值ar，获得微波场的偏振特性：

以上所述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。