一种微波耦合光探测磁共振装置

本发明属于半导体材料及量子，具体涉及金刚石中的nv色心光磁调控装置。

背景技术：

1、钻石(金刚石)内部色心的量子系统由于存在强的碳碳键而不受外部环境的影响。与常用的量子系统相比，如冷原子系统、离子阱和约瑟夫森结，它们需要超低温或高真空环境来最小化噪声水平，而钻石内的色心在室温和常压下即可表现出优异的量子相干特性。这在量子信息处理、量子计算和快速发展的量子检测领域中具有广泛的潜在应用前景。金刚石nv色心的独特之处在于其电子自旋的哈密顿量包含磁场、电场、应力场及温度场参量，因此其自旋态对外界敏感，可用作亚纳米尺度极微弱场量子探测器件。而另一特点是nv色心的不同自旋态表现出不同的荧光强度，这也将建立起微观量子态与宏观光场的联系。

技术实现思路

1、本发明针对金刚石中的nv色心量子态难以初始化、操控及读出以及nv色心光强变化检测的问题，而提供一种微波耦合光探测磁共振(odmr)装置。

2、本发明微波耦合光探测磁共振(odmr)装置包括光学系统连接单元、微波系统连接单元、光谱仪和计数单元，其中光学系统连接单元包括成像激光器、激发激光器、准直转接件、光路室、镜头组件和相机，准直转接件通过光纤与成像激光器相连，激发激光器和光路室之间设置有声光调制器；

3、光路室内部设置有反射镜组、二相色镜、中部反射镜和一号半透半反镜，激光发射器发出激光经反射镜组的多次反射进入镜头组件，镜头组件由上层部件、中层部件和下层部件组成，光路室位于上层部件后部，准直转接件位于下层部件后部；上层部件内置有镜头反射镜使来自光路室的激光经反射后竖直向下由物镜聚焦在带有nv色心的金刚石样品上，中层部件内置有镜头半透半反镜，镜头半透半反镜上带有拉杆，中层部件的侧方经光路连接有相机，下层部件内置有带有拉杆的反射镜；

4、带有nv色心的金刚石样品位于镜头组件的正下方；

5、带有nv色心的金刚石样品的信号光经镜头组件由竖直(向上)变为平行光反射进光路室，信号光再依次经二相色镜和中部反射镜后通过一号半透半反镜进行分光，一号半透半反镜上带有拉杆；

6、经过一号半透半反镜的一路分光进光谱仪，另一路分光进入计数单元，在计数单元中设置有两个单光子探测器和二号半透半反镜；

7、微波系统连接单元中包括微波射频源，使微波信号施加到带有nv色心的金刚石样品上。

8、本发明微波耦合光探测磁共振装置通过设计耦合光学采集单元、微波射频单元以及电学控制单元，搭建一种微波耦合光探测磁共振(odmr)装置，实现对nv色心量子态的光学极化、微波操控及状态读出。该系统设计多通道光路模式，实现光谱、光强、光像同时测量，并具有光－微波脉冲调制、量子光源反聚束等一系列功能。基于该装置，不仅能建立起一整套物理参量新型量子探测模式，突破经典测量极限，逼近或达到海森堡极限；也能实现量子三比特的操控，开发出量子计算的新技术路线。

9、该微波耦合光探测磁共振装置针对量子技术领域中固态量子体系nv色心的表征、探测、操控与应用，设计搭建一套完整平台。对金刚石基nv色心量子传感器件、单光子源等关键技术工程领域提供技术支撑，具有重要的示范作用和牵引性作用。

技术特征：

1.微波耦合光探测磁共振装置，其特征在于该微波耦合光探测磁共振装置包括光学系统连接单元、微波系统连接单元、光谱仪(a23)和计数单元(a3)，其中光学系统连接单元包括成像激光器(a11)、激发激光器(a21)、准直转接件(a12)、光路室(2)、镜头组件(3)和相机(4)，准直转接件(a12)通过光纤与成像激光器(a11)相连，激发激光器(a21)和光路室(2)之间设置有声光调制器(7)；

2.根据权利要求1所述的微波耦合光探测磁共振装置，其特征在于激光器(a11)采用532nm绿光激光器。

3.根据权利要求1所述的微波耦合光探测磁共振装置，其特征在于成像激光器(a11)和激发激光器(a21)分别与电源(1)相连。

4.根据权利要求1所述的微波耦合光探测磁共振装置，其特征在于所述的相机(4)为彩色相机。

5.根据权利要求1所述的微波耦合光探测磁共振装置，其特征在于带有nv色心的金刚石样品(6)放置在样品台(5)上。

6.根据权利要求1所述的微波耦合光探测磁共振装置，其特征在于计数单元(a3)中的二号半透半反镜(a34)带有拉杆，在计数单元(a3)中通过二号半透半反镜(a34)再次分光，一路分光射入第二单光子探测器(a32)，另一路分光射入第一单光子探测器(a31)。

7.根据权利要求1所述的微波耦合光探测磁共振装置，其特征在于在中部反射镜(2-3)和一号半透半反镜(2-4)之间设置有聚焦透镜(a35)。

8.根据权利要求1所述的微波耦合光探测磁共振装置，其特征在于微波系统连接单元包括微波射频源(b2)、功率放大器(c1)、微波开关(c2)和微波天线(c3)，微波射频源(b2)产生的射频微波信号通过传输线与微波天线(c3)相连，传输线上依次设置有功率放大器(c1)和微波开关(c2)。

9.根据权利要求1或8所述的微波耦合光探测磁共振装置，其特征在于微波耦合光探测磁共振装置中还设置有时序发生器(b3)，时序发生器(b3)通过控制线分别与微波开关(c2)、声光调制器(7)和数据采集卡(a24)相连。

10.根据权利要求9所述的微波耦合光探测磁共振装置，其特征在于通过数据采集卡(a24)采集光子计数信号。

技术总结
一种微波耦合光探测磁共振装置，本发明针对金刚石中的NV色心量子态难以初始化、操控及读出以及NV色心光强变化检测等问题。本发明微波耦合光探测磁共振装置中光学系统连接单元包括成像激光器、激发激光器、准直转接件、光路室、镜头组件和相机，光路室内部设置有反射镜组、二相色镜、中部反射镜和一号半透半反镜，激光发射器发出激光经反射镜组的多次反射进入镜头组件，经过一号半透半反镜的一路分光进光谱仪，另一路分光进入计数单元，在计数单元中设置有单光子探测器和半透半反镜，微波信号施加到样品上。本发明微波耦合光探测磁共振装置设计多通道光路模式，实现光谱、光强、光像同时测量，具有光－微波脉冲调制、量子光源反聚束等功能。

技术研发人员：张森,朱嘉琦,刘康,刘本建,代兵,赵继文,李一村,郝晓斌,曹文鑫,杨磊,韩杰才
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13