基于固态自旋系统的荧光高效检测装置的制作方法

本发明涉及nv色心陀螺荧光收集系统，具体为基于固态自旋系统的荧光高效检测装置。

背景技术：

荧光是自然界常见的一种发光现象。通常原子核外电子受到激发从基态s0跃迁到激发态s1后，会通过非辐射跃迁的方式快速降落在最低振动能级，随后由最低振动能级回到基态，以光子辐射的形式释放出能量，具有这种性质的出射光称为荧光。

原子陀螺是近几年发展起来的新技术，主要通过激光抽运的方式对目标电子进行极化来感知外部载体转动（自旋极化）。依靠目标原子自旋制成的陀螺具有体积小、灵敏度高等优点，是未来陀螺技术发展的新方向。金刚石氮空位色心（nv色心）陀螺是结合量子操控、量子材料、半导体激光和微纳集成技术提出来的最新型固态原子陀螺，是近几年发展起来的原子陀螺技术，国内外还处于原理验证阶段。nv色心在室温下具有优异的光读出、极化性质以及毫秒量级的相干时间，是目前最成功的自旋磁共振体系之一。

基于nv色心的原子自旋启动时间极短（μs），稳定性高，对磁场和温度的要求低，具有优良的角速率敏感特性，可以实现三个方向的角速率信息测量，互相耦合低；金刚石陀螺具有高灵敏度的潜力，采用目前比较成熟的检测技术，随机游走可达到，满足战术级惯性导航与制导的应用需求，随着金刚石中光抽运技术的快速发展，未来有望达到惯性级的技术指标。

nv色心核磁共振传感作为一类光学读出传感技术，在检测系统中主要采用大数值孔径的共聚焦显微系统作为光子收集装置，nv色心核磁共振传感系统的结构如图1所示，包括532激光机1，532激光机1的光路上依次设置有偏振片2、第一凸透镜3、声光调制器4、第二凸透镜5和双色镜8，双色镜8一侧光路上设有第三凸透镜7，另一侧光路上设置有物镜9，第三凸透镜7的光路上设置有光电探测器6，光电探测器6的输出端和锁相放大器12连接，锁相放大器12的输出端分别和pid控制器15、采集卡16连接，pid控制器15的输出端和微波源14连接，信号源13输出端分别和锁相放大器12、微波源14连接，微波源14上连接有射频天线10，物镜9正对着nv色心陀螺的金刚石11，金刚石11还与射频天线10接触；该系统的工作原理为：系统通过532nm的线偏振高斯光束，聚焦到声光调制器4（aom）上，用数值孔径很高的物镜9聚焦到金刚石11上。同时，射频天线10将已经调制过的微波发射到金刚石11上，金刚石发射出荧光，通过共聚焦系统收集，并通过光电探测器6转化为电信号，实现了光电信号的转换。从光电探测器6上出来的电信号输入到锁相放大器12中，同时从信号源13出来的两路相同信号一路经过混频器与微波调制发射到金刚石11上，而另外一路作为锁相放大器12的参考信号，与光电探测器信号一起输入到锁相放大器12中。两路信号进入锁相放大器之后，将磁场信号检测出来，同时通过pid控制输入到微波源中，实现nv色心核磁共振测量。

但当532nm激光从aom中出来，经过双色镜8反射，以及物镜9聚焦，照射到金刚石11上，由于使用的是大数值孔径的物镜，为了尽可能收集从金刚石11中散发出来的荧光，但是由于金刚石11本身的折射率为2.4，经过计算可得荧光的出射角约为24.6度，那么可以得出在共聚焦系统下荧光光子的收集效率为8%，而检测效率更是不足2%，在信号非常微弱时（激光、微波功率较弱），激发的荧光信号非常微弱，物镜9收集效率有限，同时在传播过程中光子在镜片上的损耗，当荧光到达光电探测器6的时候已经不足以产生光电流，共聚焦测量已经满足不了系统的测量需求。

技术实现要素：

本发明针对目前nv色心陀螺在荧光收集上采用物镜收集的方法，使得nv色心核磁共振传感系统存在收集距离长、体积大、结构复杂、效率低等问题，提出了一种基于固态自旋系统的荧光高效检测装置。本发明不同于传统荧光收集方法，直接在块状金刚石周围设计边收集结构，转换荧光发射方向，实现了荧光的简单高效收集。

本发明是采用如下的技术方案实现的：基于固态自旋系统的荧光高效检测装置，包括532激光机，532激光机的光路上依次设置有偏振片、第一凸透镜、声光调制器、第二凸透镜、第四凸透镜，第四凸透镜正对着nv色心陀螺的金刚石，金刚石设置在边收集装置上，该边收集装置包括滤波片，金刚石放置在滤波片上，滤波片的下方还与光电二极管接触，在滤波片上金刚石的两侧设置与金刚石接触的三棱反射镜，光电二极管和锁相放大器连接，锁相放大器的输出端分别和pid控制器、采集卡连接，pid控制器的输出端和微波源连接，信号源输出端分别和锁相放大器、微波源连接，微波源上连接有射频天线，射频天线夹在金刚石和滤波片之间。

本发明使用带nv色心的共面金刚石作为光波导，当色心发出光子时，光子方向被上下两个平行的金刚石表面限制，光子的反射路径引导为金刚石的侧边方向，边收集装置有效的避免了复杂的加工程序，提高了色心发射光子的收集效率。本发明提出了一种金刚石边带收集的方法，在实验的过程中会观测到当一束532nm激光照射到高浓度nv色心金刚石上时，可以观测到非常明显的红光，这就是637nm以上波长荧光，在金刚石侧边可以观测到非常强的荧光信号。当金刚石被532nm激光激发产生荧光，荧光信号散射到金刚石内壁（如图3），一小部分的荧光（约8%）从激光照射的方向折射出金刚石，大部分荧光（92%）被nv色心金刚石和三棱反射镜反射，约5%的荧光消耗在了金刚石内部，大部分透过滤波片，被光电二极管吸收。通过光电二极管产生微弱的电荷信号，通过后续电路实现荧光收集。本申请特点就是巧妙的光学收集，利用本发明，在同一系统中，激光功率保持恒定，通过测量其光子数是共聚焦显微系统的100倍。经计算，本技术可以有效提高收集效率，从原先不到1%提升至39%。

本发明实现了荧光的边带收集，取代了传统的共聚焦测量方法，改进之后的系统结构进行大幅度的简化，大幅提高收集效率，非常适合小型化安装，为之后系统集成奠定基础。

附图说明

图1为nv色心核磁共振传感系统的结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为边收集装置的结构示意图。

图中：1-532激光机，2-偏振片，3-第一凸透镜，4-声光调制器，5-第二凸透镜，6-光电探测器，7-第三凸透镜，8-双色镜，9-物镜，10-射频天线，11-金刚石，12-锁相放大器，13-信号源，14-微波源，15-pid控制器，16-采集卡，17-边收集装置，18-滤波片，19-光电二极管，20-三棱反射镜，21-第四凸透镜，22-532nm激光，23-荧光。

具体实施方式

基于固态自旋系统的荧光高效检测装置，包括532激光机1，532激光机1的光路上依次设置有偏振片2、第一凸透镜3、声光调制器4、第二凸透镜5、第四凸透镜21，第四凸透镜21正对着nv色心陀螺的金刚石11，金刚石11设置在边收集装置17上，该边收集装置17包括滤波片18，金刚石11放置在滤波片18上，滤波片18的下方还与光电二极管19接触，在滤波片18上金刚石11的两侧设置与金刚石11接触的三棱反射镜20，光电二极管19和锁相放大器12连接，锁相放大器12的输出端分别和pid控制器15、采集卡16连接，pid控制器15的输出端和微波源14连接，信号源13输出端分别和锁相放大器12、微波源14连接，微波源14上连接有射频天线10，射频天线10夹在金刚石11和滤波片18之间。