基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计及测量方法

本发明涉及光学及量子相干操纵技术以及其应用于温度测量的技术，尤其涉及一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计及测量方法。

背景技术：

1、高灵敏度的纳米级温度计对各个科学和技术领域都具有重要意义。包括扫描热显微镜、拉曼光谱和荧光蛋白测温在内的多种传统方法已被广泛应用于生物科学、材料和电子设备的微尺度温度检测。然而，这些方法存在灵敏度低或荧光不稳定的问题。

2、在过去的几十年里，金刚石中的色心已经被开发为高灵敏度的纳米级量子温度计。基于色心的温度计的原理是依赖于温度的零场分裂(zfs)和荧光光谱。它们表现出许多优点，如高灵敏度、宽的温度检测范围、超稳定的荧光和生物相容性等。最近，使用混合金刚石纳米温度计，温度感应灵敏度已经提高到约100μk/hz1/2。金刚石温度计在生物科学领域有一系列的温度检测应用，如活细胞和热能神经刺激，纳米级热导率成像，以及包括半导体设备和共面波导热成像在内的电子学领域。然而，金刚石中的激发激光和色心的荧光都在可见光范围内，这将导致较大的自发荧光和活细胞的光吸收。此外，对于电子学中的温度测量，金刚石应该被涂在电子器件上，这在现场很难检测到电子器件的温度。金刚石价格昂贵且难以制造，这限制了金刚石温度计的广泛应用。

3、碳化硅是一种在微电子装置中具有广泛用途的半导体。它有成熟的英寸级生长和制造技术，这为基于sic的量子传感的应用提供了便利。近年来，在sic中观察到了各种色心，它们可以分为两种类型：明亮的单光子发射器和自旋量子。有三种类型的自旋量子比特，包括双空位，硅空位和nv色心，其自旋状态可以分别由激光和微波进行偏振和控制。4h碳化硅双空位色心是指在4h碳化硅晶格中同时缺少一个碳原子和一个硅原子形成的缺陷，其荧光波长在1000nm-1400nm的近红外波段，是一个总自旋磁矩为s＝1的三能级系统。通过光磁共振(odmr)，我们在4h碳化硅样品中可以找到pl5、pl6、pl7等双空位色心，其中pl5的零场分裂与温度相关。作为一种有益的补充，碳化硅(sic)中的色心已被用作温度计。但是之前采用的方法得到的灵敏度很低，限制了此种温度计的应用。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计及测量方法，其为基于4h碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，显微镜光学系统采用稳定易搭建的笼式系统，由笼式结构光机组件组装而成，用于对样品的激发和对荧光的高效收集；脉冲卡和计算机系统用于样品色心的相干操控；多模光纤用于空间滤波；光电探测器实现荧光探测。本发明可以用于宽温度范围的高灵敏度温度测量。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，包括第一三维精密样品台、第二三维精密样品台、显微物镜、笼式结构光机组件、激光器、声光调制器、多模光纤、二向色镜、滤光片、成像ccd、反射镜、电磁铁、光电探测器、lock-in锁相放大系统、微波源、合束器、脉冲卡和计算机；其中：

4、所述第一三维精密样品台实现对样品的固定及位置调节；用螺栓固定在光学平台表面，位于笼式系统的底部；

5、所述显微物镜实现对用于激发样品的入射激光的聚焦，以及对样品发出荧光的收集，位于第一三维精密样品台的上部；

6、所述笼式结构光机组件实现对各光学元件的固定和连接，组装笼式系统；

7、所述激光器用于样品的光学激发，所发出激光通过多模光纤耦合到笼式系统的激光入射模块；

8、所述声光调制器通过脉冲电信号实现对激光的调制，使激光器发出的激光变成时序的激光；

9、所述多模光纤收集及传输激光器所发出的激光；

10、所述二向色镜实现对入射激光的反射以及透过荧光，形成分光作用；

11、所述滤光片过滤入射激光信号以提高激发效率，及过滤透过的荧光信号，增强荧光信号的信噪比；

12、所述成像ccd用于对样品表面进行成像，从而确定激发位置；

13、所述反射镜用于反射荧光和激光；

14、所述电磁铁用于产生轴向有限磁场；

15、所述光电探测器实现荧光计数；

16、所述lock-in锁相放大系统实现对输入的电信号的锁相放大，并将信号传输到计算机中；

17、所述微波源用于产生微波；

18、所述合束器用于耦合两路不同的微波；

19、所述脉冲卡通过计算机控制四路脉冲信号；

20、所述计算机用于处理经过lock-in锁相放大系统放大的电信号，以及传递脉冲信号给微波开关。

21、进一步地，所述电磁铁位于第二三维精密样品台上，在样品下方紧贴样品，产生稳定的轴向有限磁场。

22、进一步地，所述激光器的中心波长为914nm。

23、进一步地，所述滤光片有两个，一个用于过滤激光，是长通1000nm滤光片；一个用于过滤荧光，为短通950nm滤光片。

24、进一步地，所述光电探测器与lock-in锁相放大系统之间、lock-in锁相放大系统与计算机之间、计算机与微波源之间都通过电缆连接。

25、进一步地，所述笼式结构光机组件组成的笼式系统分为右部激光入射模块和上部荧光收集模块，且两个模块在物理结构上相互垂直。

26、进一步地，所述荧光收集模块顶部有光纤转接头，多模光纤一头耦合光线转接头，一头连接光电探测器，实现荧光的收集与传输。

27、本发明还提供一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计的测量方法，包括：首先激光器发出的激光通过激光入射模块尾部的光纤转接头耦合到多模光纤，通过多模光纤耦合到笼式系统，通过笼式结构光机组件调节控制入射激光以及透过荧光的方向和位置；通过在成像ccd右侧加入反射镜观察样品表面；通过调节第一三维精密样品台使样品对准显微物镜；使笼式系统达到共聚焦；通过光电探测器和计算机程序，观察荧光光子计数并调节笼式结构光机组件，使笼式系统达到最佳测量状态；

28、通过计算机控制脉冲卡，实现三路脉冲序列的正确输出，从而实现激光对样品的激发，微波的辐射，以及光探测磁共振谱，拉比振荡，ramsey振荡，热动力学解耦方法。

29、本发明与现有技术相比的优点在于：

30、本发明的笼式系统易于搭建和调试，整个装置集成度高，占用体积小，测量方法简单，可方便快捷地针对不同波长的扫描激光和荧光做出优化调整。基于碳化硅双空位的自旋和光学性质，此种温度计测量范围广，测量灵敏度高，并且相比于金刚石色心温度计，更加经济，应用范围也更广。

技术特征：

1.一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于，包括第一三维精密样品台、第二三维精密样品台、显微物镜、笼式结构光机组件、激光器、声光调制器、多模光纤、二向色镜、滤光片、成像ccd、反射镜、电磁铁、光电探测器、lock-in锁相放大系统、微波源、合束器、脉冲卡和计算机；其中：

2.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述电磁铁位于第二三维精密样品台上，在样品下方紧贴样品，产生稳定的轴向有限磁场。

3.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述激光器的中心波长为914nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述滤光片有两个，一个用于过滤激光，是长通1000nm滤光片；一个用于过滤荧光，为短通950nm滤光片。

5.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述光电探测器与lock-in锁相放大系统之间、lock-in锁相放大系统与计算机之间、计算机与微波源之间都通过电缆连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述笼式结构光机组件组成的笼式系统分为右部激光入射模块和上部荧光收集模块，且两个模块在物理结构上相互垂直。

7.根据权利要求6所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计，其特征在于：所述荧光收集模块顶部有光纤转接头，多模光纤一头耦合光线转接头，一头连接光电探测器，实现荧光的收集与传输。

8.根据权利要求6-7之一所述的一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计的测量方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于碳化硅双空位色心的高灵敏度温度计及测量方法，主要包括：第一三维精密样品台、第二三维精密样品台、显微物镜、笼式结构光机组件、激光器、多模光纤、二向色镜、滤光片、成像CCD、电磁铁、微波源、光电探测器、Lock‑in锁相放大系统、微波源、合束器、脉冲卡、计算机等。显微镜光学系统采用稳定易搭建的笼式系统，由笼式结构光机组件组装而成，用于对样品的激发和对荧光的高效收集；脉冲卡和计算机系统用于样品色心的相干操控；多模光纤用于空间滤波；光电探测器实现荧光探测。本发明具有集成度高、占用体积小、易于组装和调试、高灵敏度、温度测量范围广、适用范围广等优点。本发明可以用于宽温度范围的高灵敏度温度测量。

技术研发人员：罗钦月,王俊峰
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13