基于光纤和微米金刚石的扫描磁探头、磁测量系统及其磁成像装置的制作方法

本发明属于微磁测量技术领域，尤其涉及一种基于光纤与微米金刚石的扫描磁探头、磁测量系统及其磁成像装置。

背景技术：

自旋量子传感技术，是一种利用自旋量子态对测试样品产生的微弱信号的灵敏响应，来实现对样品产生的磁场、电场、温度、压强的无损测量。金刚石中的nv中心，由于其电子自旋量子态对周围微弱磁场十分灵敏，且可以便捷高效地被激光和微波脉冲所极化、操作和读出，是一个优秀的量子传感探针。已有的金刚石nv探针和测量装置，需要通过物镜来实现nv荧光的激发和收集，复杂和脆弱的成像收集系统极大地限制了光探磁共振和量子传感技术的适用场景，例如物镜成像的方式极不适用于厘米尺寸样品高磁灵敏度和高空间分辨率的快速磁成像。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于光纤和微米金刚石的扫描磁探头、磁测量系统及磁成像装置。

在阐述本发明的技术方案之前，定义本文中所使用的术语如下：

术语“nv”是指：氮空位。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种基于光纤与微米金刚石扫描磁探头，所述磁探头包括：光纤、微米金刚石和微波天线；

其中，所述光纤为光纤锥；所述微米金刚石含有集群nv中心，所述微米金刚石通过紫外胶固定在光纤尖端上；所述微波天线缠绕在靠近光纤锥尖端处。

根据本发明第一方面的磁探头，其中，所述光纤的截面直径为50～200μm，优选为80～150μm，最优选为100μm；和/或

所述光线锥的尖端直径为0.1～5μm，优选为0.5～2μm，最优选为1μm。

根据本发明第一方面的磁探头，其中，所述微米金刚石的直径为0.5～10μm，优选为0.5～2μm，最优选为1μm；和/或

所述金刚石颗粒的含氮量为10～30ppm，优选为15～25ppm，最优选为20ppm。

根据本发明第一方面的磁探头，其中，所述微波天线的材料选自以下一种或多种：铜、金；优选为铜；和/或

所述微波天线的直径为10～50μm，优选为10～30μm，最优选为20μm。

本发明的第二方面提供了一种磁测量系统，所述磁测量系统包括：如第一方面所述的磁探头、光学激发和收集装置、样品位移装置、静磁场和信号处理装置；

优选地，所述样品位移装置包括三维压电陶瓷扫描台和大行程电动机械位移台。

根据本发明第二方面的磁测量系统，其中，所述光学激发和收集装置包括：激光器、声光调制器、二向色镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光纤和雪崩光电二极管。

根据本发明第二方面的磁测量系统，其中，所述激光器用发射所述预设波长的激光；

所述声光调制器对所述激光器发射的激光进行调制，并将激光投射到二向色镜上；

所述二向色镜用于将所述激光反射到第一光纤耦合器，并且透过所述磁探头收集的荧光到第二光纤耦合器；

所述第二光纤耦合器通过光纤与所述雪崩光电二极管相连接，用于将nv荧光聚集并传递到雪崩光电二极管；

所述雪崩光电二极管用于将所述第二光电耦合器接收到的所述荧光转换为电信号。

根据本发明第二方面的磁测量系统，其中，所述预设波长为400～600nm，优选为480～560nm，最优选为532nm。

本发明的第三方面提供了一种快速扫描磁成像装置，所述装置包括如第一方面所述的磁探头和/或如第二方面所述的磁测量系统。

根据本发明第三方面的装置，所述装置用于对厘米量级的样品进行快速的扫描磁成像。

本发明的目的是为了解决传统磁测量中，无法实现厘米尺寸样品高磁灵敏度和高空间分辨率快速磁成像的问题。本发明使用微米金刚石和光纤组合而成的新型磁探头，可极大提升磁测量的灵敏度和效率。

本发明技术方案如下：

本发明提供了一种基于光纤与微米金刚石扫描磁探头以及其测试方法，所述光纤与微米金刚石组合成的复合磁探头，是将含有集群nv中心的微米金刚石通过紫外胶固定在光纤尖端上；其中光纤原有截面直径为100μm，经去除外包皮再加热拉伸为最终尖端直径为1μm的光纤锥，金刚石尺寸1μm；其中在靠近光纤锥尖端处缠绕了直径20μm铜线的作为微波天线。

本发明还提供了一种检测方法，该样品检测方法包括：采用上述扫描磁探头实现对大尺寸磁性样品的快速扫描。其中检测系统，主要包括光学激发和收集装置、基于光纤与微米金刚石的扫描探头、样品扫描台装置、静磁场调节装置、微波脉冲调控装置以及信号处理装置。其中:

所述光学激发和收集装置用于使用设定的激发波长的激光激发金刚石中的nv中心的电子状态。

所述基于光纤与微米金刚石的扫描探头，可用于将激光传输到微米金刚石上，并对微米金刚石nv中心在该激光激发后辐射的荧光信号进行收集。

所述样品位移装置，是由三维压电陶瓷来实现样品与探头纳米精度的相对位移，完成样品的精准快速扫描。

所述静磁场调节装置，用于施加和改变上述金刚石nv中心的偏置磁场强度和磁场方向，从而实现样品位置矢量磁场的测试。

所述微波脉冲调控装置，提供调制的微波脉冲，并通过天线将微波信号加载到金刚石中心上。

所述信号处理装置，用于将收集的荧光信号进一步处理完成磁成像。

可选的，所述光学激发和收集控制装置、声光调制器、二向色镜、第一光纤耦合器、光纤锥与金刚石的复合探针、第二光纤耦合器和雪崩光电二极管，其中：

所述激光器用发射所述预设波长的激光；

所述声光调制器，用来完成对所述激光器发射的激光进行调制，并将激光投射到二向色镜上。

所述二向色镜用于将所述激光反射到第一光纤耦合器，并且透过所述磁探头收集的荧光到第二光纤耦合器；

所述第二光纤耦合器通过光纤与所述雪崩光电二极管相连接，用于将平行光聚集并传递到雪崩光电二极管；

所述雪崩光电二极管用于将所述第二光电耦合器接收到的所述荧光转换为电信号。

可选的，所述预设波长包括532nm。

可选的，所述金刚石颗粒直径1μm、含氮量为20ppm。

从上述的技术方案可以看出，本申请公开了基于光纤与微米金刚石的扫描探头的磁测量系统，该系统用于对待测样品进行磁成像测量。具体包括光学激发和收集装置、样品扫描装置、基于光纤与微米金刚石的扫描探头、静磁场、微波调整装置以及信号处理装置。光学激发和收集装置用于利用预设波长的激光激发该nv中心的电子状态，记录所述nv中心发出的荧光，并输出反映该荧光的荧光信号；样品位移装置用于控制样品与复合磁探针的相对位移，实现样品xyz三个方向的扫描；静磁场调节装置用于控制施加在所述金刚石nv中心的静磁场，建立nv中心矢量磁场的测试方案；微波装置通过天线将调制的微波脉冲导入金刚石nv中心中，来实现微波操控nv中心的能带跃迁；信号处理装置用于根据荧光信号重构待测样品在微米量级分辨率的磁场，从而能够实现对待测样品磁场的测量。本申请提供的系统基于光纤和微米金刚石的扫描磁探头的磁测量装置的可实现对狭小空间和厘米量级样品的快速扫描磁成像，且在室温下保持微米尺度的成像分辨率。可广泛应用于凝聚态物理、材料、地质学等多个前沿研究领域。

本发明的扫描磁探头可以具有但不限于以下有益效果：

本发明利用微米金刚石中集群nv中心与光纤组合成新型的微米磁探头，能完成狭小空间内厘米尺寸样品在光学衍射极限下的灵敏磁成像。该技术突破将有效促进自旋量子传感技术在凝聚态物理、材料、地质学等领域的前沿研究进展。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1为本申请实施例提供的一种基于光纤与微米金刚石的扫描磁探头的磁测量系统的结构示意图。

图2为本申请提供的一种基于新型磁探头的光学激发和收集系统的结构示意图。

图3为本申请一种基于新型磁探头的二维磁场分辨的曲线图。

附图标记说明：

1、光纤锥；2、微波天线；3、紫外胶；4、微米金刚石；5、待测样品；6、样品位移装置；7、微波源；8、磁探头；9、第一光纤耦合器；10、二向色镜；11、第二光纤耦合器；12、雪崩光电二极管；13、声光调制器；14、激光器；15、光纤。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

以下实施例中使用的材料如下：光纤购自thorlabs、纳米金刚石颗粒购自adamasnano，磁性样品mnp单晶.

实施例1

本实施例用于说明本发明磁探头和磁测量系统的结构。

图1为本实施例提供的一种基于光纤与微米金刚石的扫描磁探头的磁测量系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例提供的磁场测量系统是基于金刚石nv中心的光学特性实施的，用于对狭小空间或毫米以上尺寸的磁性样品扫描成像，具体包括光学激发和收集装置、光纤锥1、微波天线2、紫外胶3、微米金刚石4、待测样品5(本实施例中采用mnp单晶)、样品位移装置6、静磁场、恒温器以及信号处理装置(未示出)。

本实施例光纤与微米金刚石组合成的复合磁探头，是将含有集群nv中心的微米金刚石通过紫外胶固定在光纤尖端上；其中光纤原有截面直径为100μm，经去除外包皮再加热拉伸为最终尖端直径为1μm的光纤锥，金刚石尺寸为1μm；其中在靠近光纤锥尖端处缠绕了20μm铜线的作为微波天线。

本申请中用到的光纤锥1，是通过将直径为100μm的光纤，加热后将其尖端拉制为直径为1μm。这样的锥形光纤具有良好的光导能力，可以增大数值孔径，提高对金刚石nv中心所发射荧光的收集效率。

金刚石4的尺寸为直径1μm的微米金刚石颗粒，其内部具有集群nv中心。金刚石nv中心是一种很好的磁性探针，对外部磁场十分灵敏。在外磁场的作用下，由于塞曼效应nv中心的基态能级分裂(2.87ghz)对应的光磁谱线共振谷将会发生改变劈裂，其中跃迁频率差ω＝2γb，γ为nv电子自旋旋磁比，b为外部磁场。当使用微波的频率与nv中心基态跃迁频率共振时，将会发生能级的跃迁。这时使用波长532nm的激光激发nv中心，由于处于不同基态的nv中心能够发出不同强度的荧光，利用这一特性可以通过记录nv中心所发射的荧光的强度来得到待测样品的磁场。

样品位移装置6为三维压电陶瓷扫描台和大行程电动机械位移台，可用于实验中对样品磁场进行厘米范围纳米尺度的精准快速的扫描。

图2为本实施例提供的一种基于新型磁探头的光学激发和收集装置的结构示意图；

如图2所示，本申请提供的基于新型磁探头的光学激发和收集装置包括激发和收集光路，以及基于光纤与微米金刚石的扫描磁探头8，光学脉冲控制光路用于将激光经自由光路向基于光纤微米金刚石的磁探头8发射激光，光纤金刚石复合磁探头8用于将光学激发和收集光路发射的激光传输到金刚石的nv中心上，并收集nv中心发射的荧光。

光学激发和收集光路还用于将磁探头收集到的荧光转换为电学信号。该光学激发和收集光路包括激光器14、声光调制器13、二向色镜10、第一光纤耦合器9、第二光纤耦合器11、光纤15和雪崩光电二极管12。

第一光纤耦合器与复合探头通过光纤进行连接，第二光纤耦合器与雪崩光电二极管12通过光纤进行连接。

激光由激光器14射出，进入声光调制器13，再经自由光路透射到二向色镜10上，并经二向色镜10反射进入复合磁探头8，最后入射到金刚石的nv中心。

金刚石的nv中心在激光和微波的双重作用下发出荧光，荧光经复合磁探头收集，在通过第一光纤耦合器将光纤内的荧光转换成自由平行光，再穿过二向色镜10进入第二光纤耦合器11，再经连接第二光纤耦合器11与雪崩二极管12的光纤进入雪崩光电二极管12。本实施例的光学激发和收集装置部分采用光纤替代常用的自由光路，能够减少部分光学元件，并过滤了其它杂散光。由于本实施例仅保留了必要的自由光路，简化了光路调节，使实验装置较为稳定可靠。

整个光学脉冲控制装置用于金刚石nv中心的激发与读出。其中，激光器14是用于极化金刚石的nv中心的电子态；声光调制器13控制激光脉冲的宽度；二向色镜10反射声光调制器的出射光并通过第一光纤耦合器将自由平行光转入光纤，最终到达复合磁探头8；复合磁探头8将二向色镜10的反射光聚焦到金刚石的nv中心，并收集由金刚石的nv中心发出的荧光；第二光纤耦合器11将自由平行光转入光纤；雪崩光电二极管12将收集到的荧光转换为荧光电信号传递给信息处理系统。

图3示出了基于本申请新型磁探头的二维磁场分辨的图。通过恒温器使得mnp处于tc温度以下，发生铁磁相变。此时将复合探头放置到mnp的正上方20μm处，对包含磁性样品mnp(图中白色虚线部分)2.5×4mm区域进行二维磁性成像。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。