一种基于差分的金刚石NV色心荧光探测方法及量子传感器与流程

本发明涉及量子精密测量领域，特别是涉及一种基于差分的金刚石nv色心荧光探测方法及量子传感器。

背景技术：

1、基于金刚石nv色心的精密测量方法中，对金刚石照射激光，使其产生荧光，通过收集荧光来实现一些物理量，例如磁场、温度等的测量。在收集荧光时，由于荧光信号会受到所照射的激光强度涨落等共模噪声的影响，这些共模噪声一般为高频噪声，在对荧光信号进行处理时需要进行降噪处理。传统的降噪方法是采用差分处理，具体为将激光进行分束，一束作用于金刚石，另一束作为参考信号，再用平衡检测器进行检测后对数据进行差分处理，以抑制激光强度涨落所产生的共模噪声。也有通过在一个周期照射激光以及辐射微波，并探测荧光，再在一个周期内仅开启激光来收集此周期的荧光，对两个周期内的荧光进行差分处理，以此来抑制激光强度涨落产生的共模噪声。

2、现有技术中的抑制噪声的方法，多采用直接相减的方式进行差分处理，对于所探测的荧光在不断变化时，比如金刚石所处磁场发生变化，荧光探测中的共模噪声会随之变化，采用现有技术中的上述差分处理方式对系统的共模噪声进行抑制时，抑制效果较差。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于差分的金刚石nv色心荧光探测方法及量子传感器，用于解决现有技术中的差分降噪方法在对会随着探测值的变化而变化的共模噪声进行抑制时，抑制效果较差的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于差分调节的金刚石nv色心荧光探测方法，包括：

3、a1，在无磁场的环境中，对含有nv色心的金刚石照射激光；将金刚石所产生的荧光以及混合在荧光中的激光分离开并予以分别收集，且对收集的激光进行增益调节，设置初始调节增益，再将所调节的激光信号以及收集的荧光信号进行差分处理以获取差分信号，通过调节所发射激光的功率和/或初始调节增益，使得差分信号为零；

4、a2，在对金刚石保持照射步骤a1中所调节的激光功率下，分别持续收集分离后的激光信号以及荧光信号，并持续获取差分信号；根据差分信号调整所收集的激光信号的调节增益，以使得差分信号等于零，并获取当前调节增益相对初始增益的增量信号，用来表征当前环境的荧光的实时探测值；

5、a3，在保持步骤a2的持续进行的情况下，将金刚石转移至有磁场或无磁场的待测环境中，采用所获取的增量信号，表征当前环境的荧光的实时探测值。

6、进一步地，步骤a1-a3中，还对金刚石辐射微波。

7、为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种基于差分调节的量子传感器，传感器包括：含有nv色心的金刚石、激光激发及荧光收集单元、差分调节单元；

8、所述激光激发及荧光收集单元用于向所述金刚石发射激光，并将金刚石所产生的荧光以及混合在荧光中的激光分离开后予以分别收集，且将收集的激光信号以及荧光信号发送给差分调节单元；

9、所述差分调节单元连接于激光激发及荧光收集单元，用于将接收的激光信号进行增益调节，并将调节后的激光信号与荧光信号进行差分处理，根据差分信号调整所接收的激光信号的调节增益，以使得差分信号等于零，再获取当前调节增益相对初始增益的增量信号，用来表征当前环境的荧光的实时探测值。

10、进一步地，所述激光激发及荧光收集单元包括激光发生器、分离机构、探测器，所述激光发生器发射的激光照射至金刚石上，金刚石所产生的荧光以及混合在荧光中的激光经分离机构被分离，并被探测器探测收集。

11、进一步地，所述分离机构包括双色片，激光与荧光的混合光经双色片的反射以及透射被分离；或所述分离机构包括光环形器和双色片，激光发生器所产生的激光经光环形器的第一端口传输至第二端口，并由第二端口传输至双色片上，经双色片反射后照射至金刚石上，混合光经双色片透射后分离出荧光，经双色片反射后由光环形器的第二端口传输至第三端口，并由第三端口分离出激光；

12、进一步地，所述分离机构包括分束镜、两个滤波片，混合光经分束镜后被分为反射光束和透射光束，再分别由两个滤波片一一对应滤波，过滤出激光和荧光。

13、进一步地，差分调节单元包括增益调节单元、差分单元，激光激发及荧光收集单元向增益调节单元发送激光信号，向差分单元发送荧光信号，增益调节单元根据接收的增益调整信号对激光信号进行增益调节，将调节后的激光信号发送给差分单元，差分单元对调节后的激光信号以及荧光信号进行差分处理，根据差分信号向增益调节单元发送增益调整信号，以调整激光信号的调节增益，使得差分信号等于零。

14、进一步地，由差分单元获取当前调节增益相对初始增益的增量信号，用来表征荧光的实时探测值。

15、进一步地，所述差分调节单元还包括积分单元，差分单元还被配置为，在差分信号不为零时，在调整激光信号的调节增益使得差分信号为零后，获取当前增益相对本次调整前的增益的增量信号，并将增量信号作为处理信号发送给积分单元，在差分信号为零时，在调整激光信号的调节增益使得差分信号保持为零后，将差分信号作为处理信号发送给积分单元；积分单元对处理信号进行实时积分处理以获取实时积分值，用来表征荧光的实时探测值。

16、进一步地，还包括微波辐射单元，用于对金刚石辐射微波。

17、如上所述，本发明的一种基于差分的金刚石nv色心荧光探测方法及量子传感器，具有以下有益效果：通过将金刚石产生的荧光与混合在荧光中的激光予以分离，并分别收集后作差分处理，在初始以及探测过程中，对激光进行增益调节，以使得差分保持为零，并通过输出增益增量，将荧光变化量的探测转化为增益的变化量，以表征荧光探测值，一方面在收集荧光时，分离出激光进行差分处理，能够简化结构元件，减少不必要的噪声干扰，另一方面采用激光相对荧光的增益增量来表征荧光探测值，能够较好的抑制探测过程中随荧光的不断变化而变化的共模噪声，提高系统的测量精确度。

技术特征：

1.一种基于差分调节的金刚石nv色心荧光探测方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的基于差分调节的金刚石nv色心荧光探测方法，其特征在于：所述步骤a1-a3中，还对金刚石辐射微波。

3.一种基于差分调节的量子传感器，其特征在于，所述传感器包括：含有nv色心的金刚石（1）、激光激发及荧光收集单元（2）、差分调节单元（3）；

4.根据权利要求3所述的基于差分调节的量子传感器，其特征在于：所述激光激发及荧光收集单元（2）包括激光发生器（21）、分离机构、探测器（22），所述激光发生器（21）发射的激光照射至金刚石（1）上，金刚石（1）所产生的荧光以及混合在荧光中的激光经分离机构被分离，并被探测器（22）探测收集。

5.根据权利要求4所述的基于差分调节的量子传感器，其特征在于：所述分离机构包括双色片（23），激光与荧光的混合光经双色片（23）的反射以及透射被分离；或所述分离机构包括光环形器（24）和双色片（23），激光发生器（21）所产生的激光经光环形器（24）的第一端口传输至第二端口，并由第二端口传输至双色片（23）上，经双色片（23）反射后照射至金刚石（1）上，混合光经双色片（23）透射后分离出荧光，经双色片（23）反射后由光环形器（24）的第二端口传输至第三端口，并由第三端口分离出激光。

6.根据权利要求4所述的基于差分调节的量子传感器，其特征在于：所述分离机构包括分束镜（26）、两个滤波片（25），混合光经分束镜（26）后被分为反射光束和透射光束，再分别由两个滤波片（25）一一对应滤波，过滤出激光和荧光。

7.根据权利要求3所述的基于差分调节的量子传感器，其特征在于：差分调节单元（3）包括增益调节单元（31）、差分单元（32），激光激发及荧光收集单元（2）向增益调节单元（31）发送激光信号，向差分单元（32）发送荧光信号，增益调节单元（31）根据接收的增益调整信号对激光信号进行增益调节，将调节后的激光信号发送给差分单元（32），差分单元（32）对调节后的激光信号以及荧光信号进行差分处理，根据差分信号向增益调节单元（31）发送增益调整信号，以调整激光信号的调节增益，使得差分信号等于零。

8.根据权利要求7所述的基于差分调节的量子传感器，其特征在于：由差分单元（32）获取当前调节增益相对初始增益的增量信号，用来表征荧光的实时探测值。

9.根据权利要求7所述的基于差分调节的量子传感器，其特征在于：所述差分调节单元（3）还包括积分单元（33），差分单元（32）还被配置为，在差分信号不为零时，在调整激光信号的调节增益使得差分信号为零后，获取当前增益相对本次调整前的增益的增量信号，并将增量信号作为处理信号发送给积分单元（33），在差分信号为零时，在调整激光信号的调节增益使得差分信号保持为零后，将差分信号作为处理信号发送给积分单元（33）；积分单元（33）对处理信号进行实时积分处理以获取实时积分值，用来表征荧光的实时探测值。

10.根据权利要求3所述的基于差分调节的量子传感器，其特征在于：还包括微波辐射单元，用于对金刚石（1）辐射微波。

技术总结
本发明提供一种基于差分的金刚石NV色心荧光探测方法及量子传感器，其中，通过将金刚石产生的荧光与混合在荧光中的激光予以分离，并分别收集后作差分处理，在初始以及探测过程中，对激光进行增益调节，以使得差分保持为零，并通过输出增益增量，将荧光变化量的探测转化为增益的变化量，一方面在收集荧光时，分离出激光进行差分处理，能够简化结构元件，减少不必要的噪声干扰，另一方面采用激光相对荧光的增益增量来表征荧光探测值，能够较好的抑制探测过程中随荧光的不断变化而变化的共模噪声，提高系统的测量精确度。

技术研发人员：王鑫,赵龙,赵博文,仇茹嘉,朱太云,施雯,谢铖,邢璐,张少春,张振,储成君,罗大程,赵冀红
受保护的技术使用者：国网安徽省电力有限公司电力科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15