基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置及成像方法与流程

文档序号:20990906发布日期:2020-06-05 21:42阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,所述磁成像装置包括自旋操控光源模块(1)、偏振光发生模块(2)、荧光探测模块(3)、偏振光检测及成像模块(4)、显微镜物镜(5)、带有nv色心的金刚石探针(9)、nv色心探针臂(10)、微波发射装置(12)、位移台(13);其特征在于:

所述自旋操控光源模块(1)用于提供一束入射激光,经过二向色镜系统,使激光经过二向色镜透射和/或反射,在显微镜物镜(5)聚焦后,照射到金刚石探针(9)的nv色心上,所述带有nv色心的金刚石探针(9)通过nv色心探针臂(10)夹持;

微波发射装置(12)靠近金刚石探针(9)的nv色心一侧设置,用于发射电磁脉冲序列,对nv色心的自旋状态进行操控;

所述金刚石探针(9)的nv色心产生的荧光通过显微镜物镜(5)返回二向色镜系统,通过二向色镜系统透射和/或反射,进入荧光探测模块(3);

所述偏振光发生模块(2)用于产生具有线偏振性质的光即偏振光,所述偏振光经过二向色镜系统的透射和/或反射,进入显微镜物镜(5),然后照射到放置在位移台(13)的样品(11)上,偏振光经过样品反射后,部分再次进入显微镜物镜(5),然后经过二向色镜系统透射和/或反射后,进入偏振光检测及成像模块(4)。

2.根据权利要求1所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

所述二向色镜系统包括第一二向色镜(6)、第二二向色镜(7)、第三二向色镜(8);

所述第一二向色镜(6)、第二二向色镜(7)、第三二向色镜(8)按照以下方式进行配置:

所述第二二向色镜(7)倾斜设置在自旋操控光源模块(1)发出的入射激光和所述偏振光发生模块(2)发出的偏振光两光路相交位置处,能将入射激光透射或反射,将偏振光反射或透射,并且使得入射激光以及偏振光在经所述第二二向色镜(7)透射或反射后的光路一致;

所述第一二向色镜(6)设置在显微镜物镜(5)上方,并且能够接收第二二向色镜(7)透射或反射后激光或偏振光,将激光或偏振光反射进入显微镜物镜(5);

所述第三二向色镜(8)设置在第一二向色镜(6)和荧光探测模块(3)之间,能够使偏振光经过样品反射后依次经过显微镜物镜(5)、第一二向色镜(6)后将其反射进入偏振光检测及成像模块(4),同时能够使nv色心发射的荧光经过显微镜物镜(5)、第一二向色镜(6)和第三二向色镜(8)的透射,进入荧光探测模块(3)。

3.根据权利要求1或2所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

所述自旋操控光源模块(1)由激光源(1a)、光纤(1b,1d)、光调制器(1c)、光纤耦合器(1e)和第一凸透镜(1f)组成;

光调制器(1c)用来控制自旋操控光源模块(1)中光的通断,

当光调制器(1c)为光纤耦合型调制器,则激光源(1a)、光调制器(1c)、光纤耦合器(1e)通过光纤按照前后顺序顺次连接,第一凸透镜(1f)置于光纤耦合器(1e)的后端,将入射激光聚焦到二向色镜系统;

当光调制器(1c)为自由空间光调制器,则激光源(1a)、光纤耦合器(1e)、通过光纤连接,光调制器(1c)和第一凸透镜(1f)置于光纤耦合器(1e)的后端,光调制器(1c)和第一凸透镜(1f)顺序能够对调;调制后的激光入射进入二向色镜系统。

4.根据权利要求3所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

将自旋操控光源模块(1)的全部或者其中部分元件置于调整架上,用于调整入射光的方向,使得自旋操控光源模块(1)发出的激光通过显微镜物镜(5)后聚焦于金刚石探针(9)的nv色心。

5.根据权利要求1或4所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

自旋操控光源模块(1)提供的入射激光为单色光源,波长范围介于500nm-600nm之间,光源能够进行脉冲调制。

6.根据权利要求1-3任一权利要求所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

所述偏振光发生模块(2)由光源(2a)、第二凸透镜(2b)和偏振器(2c)构成;

其中,光源(2a)可以选择但不限于led灯、汞灯、氙气灯、通过光纤耦合输出的光;所述偏振器(2c)是指非偏振光透过此元件后能够成为线偏振光的装置;

所述光源(2a)置于前侧,后侧的第二凸透镜(2b)和偏振器(2c)的位置能够对调;也可以将第二凸透镜(2b)和偏振器(2c)直接与光源(2a)集成,成为线偏振光源。

7.根据权利要求1或6所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

所述偏振光发生模块(2)产生的具有线偏振性质的光,其波长介于为300nm-530nm之间。

8.根据权利要求1-3任一权利要求所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

所述荧光探测模块(3)由第一滤波片(3a)、光纤耦合器(3b)、光纤(3c)、第一光电探测器(3d)构成;

金刚石探针(9)的nv色心产生的荧光进入第一滤波片(3a)后,再通过光纤耦合模块(3b)收集进光纤(3c)后,进入第一光电探测器(3d),通过第一光电探测器(3d)将光信号转化为电信号。

9.根据权利要求1-3任一权利要求所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

所述荧光探测模块(3)由第二滤波片、光阑(3g)和第二光电探测器(3h)组成;

其中,第二滤波片(3f)和光阑(3g)可以对调;金刚石探针(9)的nv色心产生的荧光进入荧光探测模块(3)后,正好聚焦于光阑(3g)的通光孔并透过,被第二光电探测器(3h)接收,其它干扰光被光阑(3g)屏蔽。

10.根据权利要求8或9所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

其中,第一滤波片(3a)和第二滤波片(3f)是指通带介于540nm-1000nm之间的滤波装置,用于过滤掉自旋操控光源模块(1)发射并经过光路反射进入荧光探测模块(3)的光,只让nv色心因为自旋状态改变而发射的荧光透射过滤波片。

11.根据权利要求8或9所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

所述荧光探测模块(3)全部或者其中部分元件置于调整架上,用于调整光纤耦合器(3b)或者光阑(3g)位置,nv色心发射的荧光经过物镜(5)后,正好聚焦于光纤耦合器(3b)入口处,或者聚焦于光阑(3g)小孔处,被第一光电探测器(3d)或第二光电探测器(3h)探测。

12.根据权利要求1-3任一权利要求所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

所述偏振光检测及成像模块(4)包括检偏器(4a)、相机(4d),通过检偏器(4a)对光束的偏振状态进行检测并借用相机(4d)进行成像;

所述检偏器(4a)是指线偏振器,所述检偏器(4a)为但不限于以下的任一种:

薄膜偏振器、格兰泰勒棱镜,或者格兰汤普森棱镜;

所述相机(4d)的可选范围包括但不仅限于ccd相机或者cmos相机。

13.根据权利要求12所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

所述偏振光检测及成像模块(4)还包括在相机(4d)之前的任意位置设置1至多个第三滤波片(4c),第三滤波片(4c)的带通范围与所述偏振光发生模块(2)出射的光源适配,介于300nm-530nm之间。

14.根据权利要求13所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

所述偏振光检测及成像模块(4)还包括在所述检偏器(4a)前设置的补偿器,所述补偿器是指与所述偏振光发生模块(2)适配的λ/4补偿玻片。

15.根据权利要求13或14所述的基于金刚石nv色心和克尔效应的磁成像装置,其特征在于:

所述偏振光检测及成像模块(4)还包括第三凸透镜(4b),可在偏振光检测及成像模块中相机的前方,任意光学元件之间插入一个第三凸透镜(4b),以调整样品通过显微镜物镜(5)后成像的位置。

16.一种基于权利要求1-15任一项权利要求所述装置的全局磁性成像方法,其特征在于,所述全局磁性成像方法包括如下内容:

打开偏振光发生模块的光源,光源经过凸透镜聚焦和偏振后,成为偏振光,偏振光经过二向色镜系统反射或透射后,进入显微镜物镜,然后照射到放置在位移台上的样品上;

通过调节位移台的移动,使样品处于物镜焦点区域;

偏振光经过样品反射后,部分再次进入显微镜物镜,然后经过二向色镜系统的透射或者反射,进入偏振光检测及成像模块;

旋转偏振光检测及成像模块中的偏振片使其偏振方向与偏振光发生模块中偏振器的偏振方向夹角介于80°-100°之间;

偏振光检测及成像模块中的检偏器对光束的偏振状态进行检测并借用相机进行成像,相机得到的照片能够获得样品表面的磁化状态信息,即实现磁光克尔成像。

17.一种基于权利要求1-15任一项权利要求所述装置的高分辨率磁性成像方法,其特征在于,所述方法包括以下内容:

调整由自旋操控光源模块发射的激光的方向,使激光经过二向色镜系统反射或者透射进入显微镜物镜,经显微镜物镜聚焦后,照射到nv色心上,通过自旋操控光源模块发射的激光照射将nv色心电子自旋初始化;

停止激光,通过微波发射装置发射电磁脉冲序列,对nv色心的自旋状态进行操控;

选取电磁脉冲序列,使得电磁脉冲频率跟自旋s=0与s=1间的能极差,或者自旋s=0与s=-1间的能极差相干,脉冲时长为半个电子自旋的拉比震荡周期,即π/2脉冲;

电磁脉冲发射结束后,让nv色心电子自由演化设定时间τ;

再输入一个时长为π/2的电磁脉冲;

在再次发射的电磁脉冲结束后,通过自旋操控光源模块再次输入一个入射激光,使其聚焦于nv色心,nv色心将产生荧光;

部分荧光通过显微镜物镜返回至二向色镜系统,再经过二向色镜系统的透射或者反射,进入荧光探测模块;通过对光电探测器接收的荧光信号进行分析,计算出金刚石nv色心处的磁场大小;

然后,通过控制位移台在水平方向上的移动,使样品进行步进,通过重复以上的测量步骤,测量样品不同区域上方某高度的杂散磁场大小,得到样品的磁性分布成像。

18.根据权利要求17所述的高分辨率磁性成像方法,其特征在于:

所选取的电磁脉冲序列为ramsey序列;

设定时间τ小于nv色心电子自旋横向弛豫时间。


技术总结
基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置以及成像方法,自旋操控光源模块提供一束入射激光,经过二向色镜系统,在显微镜物镜聚焦后照射到金刚石探针的NV色心上,NV色心产生的荧光通过显微镜物镜返回二向色镜系统,进入荧光探测模块;偏振光发生模块产生偏振光,经过二向色镜系统的透射和/或反射,进入显微镜物镜,然后照射到放置在位移台的样品上,偏振光经过样品反射后,部分再次进入显微镜物镜,然后经过二向色镜系统,进入偏振光检测及成像模块。本发明通过兼容性设计,从而实现对样品的高分辨率、全局和大视野成像。

技术研发人员:张学莹;王麟;赵巍胜
受保护的技术使用者:致真精密仪器(青岛)有限公司
技术研发日:2020.02.10
技术公布日:2020.06.05
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