用于色心单光子收集的透镜的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微纳器件加工技术领域与量子信息技术领域，具体地说，本发明涉及 一种用于色心单光子收集的透镜的制备方法。
【背景技术】
[0002] 在打开人们对量子世界的认识的过程中，光子作为一种量子实体发挥了重要作 用。其中，能够发射单个光子的单光子源是一种主要的量子平台。
[0003] 目前，能够可控发射单光子的体系大多数是单发射极量子系统，该系统包括：半导 体量子点、介观量子势阱、单分子、单原子和单离子及NV色心(金刚石中氮取代与相邻空位 缺陷组合而成的色心，下文简称色心）等。其操作原理是：当需要发射单光子时，系统由外 部控制进入激发态，然后再往低能态跃迁，同时发射单个光子。通常，人们通过光学微腔耦 合来调控这类单发射极量子系统的单光子发射特性。其中，固态、室温兼容的单光子发射体 系具有更易于整合到已有及可扩展系统的优势。而金刚石就是一种典型的固态、室温兼容 的材料，并且金刚石中具有单原子特性的丰富色心，它们在室温下能够稳定发射单光子，因 此非常具有应用前景。然而，由于金刚石的高折射率特性，色心辐射的大多数光子实际上都 在金刚石表面被反射回材料体内而无法得到充分利用。同时，由于金刚石的高硬度、高折射 率及弱导电性，加工光学器件耦合引导光传输变得很有难度。这些都严重阻碍金刚石色心 单光子源的发展。
[0004] 目前，金刚石色心单光子源的常用做法是通过微操纵技术将含有单个色心的纳晶 金刚石准确放置于光子晶体结构中或者光纤的端口，参见文献"Nanopositioning of a diamond nanocrystal containing a single nitrogen-vacancy defect center,Appl. Phys. Lett. 94173104 (2009)" 与文献 "Fiber-integrated diamond-based single photon source, Nano Lett. 11198 - 2021 (2010)。该方案在一些场合下非常有效地提高了单光子的 收集利用效率，然而其操作比较复杂、可扩展性差，同时在量子耦合等更丰富的量子物理实 验方面受到很大限制。
[0005] 还有一些优化金刚石色心单光子源的方法是直接对单晶金刚石块材进行微纳 加工，提高体金刚石单光子源色心发光的收集效率并引导光传播。其中的典型的方案包 括：电子束曝光与反应离子刻蚀结合加工纳米柱，以及引入损伤后结合化学腐蚀及聚焦 离子束刻蚀加工波导结构或光学微腔结构等，参见文献"Ion-beam-assisted lift-off technique for three-dimensional micromachining of freestanding single-crystal diamond，Adv. Maten 172427(2005)"。这种方案中，曝光与反应离子刻蚀结合能够实现批量 加工，所得到的单光子源成品结构复杂，难以灵活地进行设计以满足各类应用的要求。此 夕卜，光学微腔结构在单晶金刚石上加工起来难度很大，对金刚石单光子源色心单光子发射 与收集的增强效果也不够理想。
[0006] 还有一类方案是采用聚焦离子束直接刻蚀的方法制备金刚石半球透镜，当单光子 源色心准确位于半球透镜的球心位置时，理论上所发射单光子在金刚石与空气界面的全反 射得以消除，单光子收集利用效率由此得到大幅提高。这种方法具有工艺简单直接，非常适 合单个原型实验的特点，对基于金刚石色心的稳定单光子源的发展以及与此相关的量子信 息与量子物理的一些基础研究都有重要的实践意义。然而，聚焦离子束直接刻蚀的精度有 限，目前用这种方案制备的金刚石半球透镜的单光子收集利用效率仍然不高，与理论值相 差甚远。
[0007] 因此，当前迫切需要一种制作工艺简单又能够显著提高单光子收集利用效率的单 光子源的解决方案。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是提供一种制作工艺简单又能够显著提高单光子收集利用效率的 单光子源的解决方案。
[0009] 为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于色心单光子收集的透镜的制备方 法，包括下列步骤：
[0010] 1)在金刚石块材中定位一个色心的位置；
[0011] 2)使用多组环形粒子束图案组，在所述金刚石块材表面刻蚀出以所述色心为球心 的扇状球形表面，其中每组环形粒子束图案组中各环形粒子束图案的环心错开，各环形粒 子束图案的内圈半径相等，且各环形粒子束图案的环心均匀分布在一个圆周上，各组环形 粒子束图案组的环形粒子束图案的内径逐步缩小直至趋近于0。
[0012] 与现有技术相比，本发明具有下列技术效果：
[0013] 1、本发明能够显著提高金刚石单光子源的单光子收集利用效率。
[0014] 2、本发明的制作工艺简单。
[0015] 3、本发明能够在聚焦离子束加工设备的精度有限的情况下，使金刚石半球透镜的 外形更加平滑，使其单光子收集利用效率更加接近于理论值。
【附图说明】
[0016] 图Ia?f示出了本发明一个实施例中用于单光子源的金刚石半球透镜的制备方 法中加工金刚石半球透镜的不同阶段的示意图；其中图Ia?c为立体示意图，图Id?f为 侧视剖面示意图；
[0017] 图2示出了本发明一个实施例中在金刚石块材表面制作十字对准标记的俯视示 意图；
[0018] 图3示出了本发明一个实施例中用激光扫描共聚焦荧光显微镜观测到色心的俯 视不意图；
[0019] 图4示出了本发明一个实施例中俯视状态下色心在金刚石表面的投影点相对于 所述对准标记的偏移矢量的示意图；
[0020] 图5示出了本发明一个实施例中在金刚石块材表面制作对准圆环的俯视示意图；
[0021] 图6示出了本发明一个实施例中俯视状态下色心在金刚石块材表面的投影点相 对于所述对准圆环环心的偏移矢量的示意图；
[0022] 图7示出了本发明一个实施例中的环形槽的俯视示意图；
[0023] 图8示出了本发明一个实施例中用第一个环形粒子束图案修刻圆柱形结构顶部 的不意图；
[0024] 图9示出了本发明一个实施例中用第二个环形粒子束图案修刻圆柱形结构顶部 的不意图；
[0025] 图10示出了由3个环形粒子束图案组成的叠加的环形粒子束图案组刻蚀圆柱形 结构顶部的俯视示意图；
[0026] 图11示出了由4个环形粒子束图案组成的叠加的环形粒子束图案组刻蚀圆柱形 结构顶部的俯视示意图；
[0027] 图12示出了根据本发明一个实施例的实际刻蚀半球透镜过程示例中的各个阶段 的照片。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的描述。
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