一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计及测量方法

本发明涉及量子操控与光学技术，尤其涉及一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计及测量方法。

背景技术：

1、高灵敏度高空间分辨率的磁场探测在现代科学和技术领域具有非常重要的应用。近年来，由于其优异的自旋和光学性质，碳化硅色心已经成为量子技术中很有前途的平台。碳化硅中有几种类型的固态自旋量子比特，包括硅空位、双空位和氮空位中心，它们的自旋态在室温下可以初始化，由光学读出并控制。碳化硅硅空位色心是指碳化硅晶格缺少硅原子的点缺陷。作为一个自旋量子比特，它具有一些突出的性质，如其近红外波长和室温下长相干时间。由于这些优点，它已应用于多种量子传感，例如磁场，应力，压强和温度。以量子传感为例应用方面，目前已利用高浓度硅空位在实验室环境下实现纳特斯拉灵敏度的磁场探测。但是，该磁场探测是在共聚焦系统上实现的，体积很大，不适合实际应用。

2、硅空位磁探测有三个独特优势。首先，碳化硅是一种成熟的半导体对于具有重要技术优势的材料，如英寸级生长和微纳米制造技术。基于碳化硅的量子技术很容易与现代半导体工业又可广泛应用。第二，硅空位的波长为近红外，这使得它适合在光纤网络和长距离分布光纤磁强计。最后,它只有一个方向和相应的光探测磁共振谱有在外加磁场下只有两个峰，这有利于校准和感知磁场的大小和方向。此外，它的零场劈裂是温度无关的，这对于实际环境中的磁场探测。为了释放碳化硅硅空位色心磁场探测的潜能，使它与实际环境的要求相适应，我们需要将硅空位与光纤集成起来，实现光纤集成的碳化硅色心探针磁力计。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计及测量方法，光学系统由简单易搭建的笼式系统光学组件组装而成，主要功能为对样品的激发以及荧光的高效收集，易于调试；信号转换与处理系统包括了对光信号的接收，转换成电信号，以及对信号的锁相放大；微波系统主要功能为微波的产生放大、以及通过一个微波辐射线圈将微波输出到光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针上；光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针是由微米级的碳化硅样品以及多模光纤耦合而成，能够提供微米级别的空间分辨率。本发明可以实现对磁场的高空间分辨率的量子测量。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、本公开提供了一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计，包括：光学系统，由简单易搭建的笼式系统光学组件组装而成，主要功能为对样品的激发以及荧光的高效收集，易于调试；信号转换与处理系统，包括了对光信号的接收，转换成电信号，以及对信号的锁相放大；微波系统，主要功能为微波的产生放大、以及通过一个微波辐射线圈将微波输出到光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针上；光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针，是由微米级的碳化硅样品以及多模光纤耦合而成，能够提供微米级别的空间分辨率。

4、根据本公开的实施例，光学系统包括：激光发生器，用于提供硅空位色心对应激发波长的激发光，从而达到初始化量子态与产生荧光的作用；激光收集系统，用于将激光收集到多模光纤内，方便后续光路传输；笼式光学传输与收集系统，用于将激光传输到光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针以及接收光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针发出的荧光并传输到信号转换与处理系统；

5、根据本公开的实施例，激光收集系统包括：透镜，用于将激光汇聚于多模光纤的内芯；三维透镜调节架，用于对透镜进行包括x,y轴的移动，以及俯仰角度乃至距离光纤端面距离的调节，从而实现高效率的激光收集；光纤连接头，用于将多模光纤耦合进三维透镜调节架；多模光纤，用于对激光的传输和荧光的传输；

6、根据本公开的实施例，笼式光学传输与收集系统包括：笼式系统光学组件，用于放置光学元件，以及对光学元件进行精密调节；滤光片，用于滤掉非激发波段的激光，从而提高激发效率；用于滤掉非信号波段的荧光，从而提高信号对比度；双向色镜，用于反射激发光以及透过荧光，形成分光作用；平面反射镜，用于反射激发光与荧光。

7、根据本公开的实施例，信号转换与处理系统包括：光电探测器，将输入的光信号转换为电信号；锁相放大器，将输入的电信号进行锁相放大，并将信号传输给计算机；传输电线，连接各个器件。

8、根据本公开的实施例，微波系统包括：微波源，用于接收脉冲序列以及产生微波；微波放大器，用于放大微波功率；微波传输线，用于传输微波；微波辐射线圈，由铜线绕制，靠近碳化硅样品，用于辐射微波。

9、根据本公开的实施例，光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针包括：微米级的碳化硅样品，用于接收激发光以及产生荧光；多模光纤，一端用于连接光学系统，接收荧光，另一端端面内芯位置粘有微米级的碳化硅样品，从而可以通过多模光纤提供激光给样品，同时接收样品产生的荧光传输到光学系统。

10、根据本公开的实施例，计算机，用于接收从信号转换与处理系统传来的光探测磁共振谱信号，并对其进行分析处理；

11、根据本公开的实施例，所述微米级的碳化硅样品尺寸为100μm×100μm×50μm；碳化硅样品是由cree公司的商用碳化硅打磨而成。

12、根据本公开的实施例，激光发生器产生的激光中心波长为785nm。

13、本发明还提供一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计的测量方法，包括如下步骤：

14、s1：连接装置，通过三维平移台将微波辐射线圈靠近微米级的碳化硅样品，通过将光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针靠近待测空间感受磁场；

15、s2：通过计算机接收从信号转换与处理系统传来的光探测磁共振谱信号，并对其进行分析处理；

16、s3：微波系统，产生微波并对色心的量子态进行控制；

17、s4：光学系统产生激光并激发光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针，同时接收荧光，将荧光信号传输至信号转换与处理系统，通过计算机对光探测磁共振谱的分析，得到待测磁场信息。

18、本发明的有益效果在于：本发明通过将碳化硅样品与多模光纤高效耦合，激发光与荧光通过同一路多模光纤进行传输，大大增强了光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针的可移动性，可以更加适用于实际的应用场景。本发明采用易于组装和拆卸的笼式系统光学组件，可以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。本发明具有集成度高、占用体积小、易于安装与调试、操作和维护简便等突出优点。

技术特征：

1.一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计，其特征在于，所述光学系统包括：

3.根据权利要求2所述的一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计，其特征在于，所述激光收集系统包括：

4.根据权利要求2所述的一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计，其特征在于，所述笼式光学传输与收集系统包括：

5.根据权利要求1所述的一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计，其特征在于，所述信号转换与处理系统包括：

6.根据权利要求1所述的一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计，其特征在于，所述微波系统包括：

7.根据权利要求1所述的一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计，其特征在于，所述光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针包括：

8.根据权利要求7所述的一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计，其特征在于，所述微米级的碳化硅样品的尺寸约为100μm×100μm×50μm；由碳化硅抛光而成。

9.根据权利要求2所述的一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计，其特征在于，所述激光发生器产生的激光中心波长为785nm。

10.根据权利要求1-9之一所述的一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计的测量方法，其特征在于，用于测量磁场，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种光纤集成碳化硅硅空位色心探针磁力计及测量方法，主要包括：光学系统、信号转换与处理系统、微波系统、光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针，计算机。光学系统由笼式系统光学组件组装而成，主要功能为激发样品以及高效收集荧光；信号转换与处理系统包括了对光信号的接收，转换，以及对信号的锁相放大；微波系统包括了微波的产生放大、以及利用微波辐射线圈辐射微波于探针上；光纤耦合碳化硅硅空位色心磁力计探针是由微米级的碳化硅样品与多模光纤耦合而成。本发明具有集成度高、易于安装调试、高空间分辨率、磁场测量范围广、适用范围广等优点。本发明可以实现对磁场的高空间分辨率的量子测量。

技术研发人员：王俊峰,罗钦月
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15