转，并产生具有第三 频率&的微波。
[0037] 所述第三微波线圈16的底部固定设有第一凸透镜15 ;
[0038] 其中，所述反射镜1、四个面阵CCD、相应的滤波片和第三微波线圈16组成一个封 闭的空间，所述永磁铁2、衬底3、金刚石样品4、第一微波线圈5、第二微波线圈6置于该封 闭空间内。
[0039] 所述陀螺仪的一中部器壁上固定设有激光器17,用于产生激光；
[0040] 其中，所述激光器17为VCSEL激光器或半导体激光器，比如中心波长为532纳米 的激光。
[0041] 所述激光器17的出光处设有偏振窗口 18,所述偏振窗口 18中设有偏振片，用于产 生高偏振度的激光；
[0042] 所述激光器17的前方斜设有二向色镜19 ;
[0043] 在本发明一实施例中，所述二向色镜19以与水平面呈45度角的方向设置在所述 激光器17的前方。
[0044] 其中，所述激光器17产生的激光经过所述二向色镜19反射后，再经过第一凸透镜 15的汇聚，最终照射在金刚石样品4上。
[0045] 所述中部器壁的顶端架设有滤波片20,用于过滤背景光；
[0046] 所述滤波片20朝向顶部的一侧粘结有第二凸透镜21，用于汇聚从底部发出的荧 光；
[0047] 所述陀螺仪的顶部设有第五面阵(XD22。
[0048] 如图3、4所示，本发明陀螺仪共有三路微波，其中，第一路微波、第二路微波的频 率分别为f\、f 2，分别由与金刚石样品4固定在一起的第一微波线圈5和第二微波线圈6产 生；第三路微波的频率为f2，由相对金刚石样品4旋转的第三微波线圈16产生。所述永磁 铁2在金刚石样品4处产生大小为仏的磁场，进而消除电子上|1 >与|-1 >之间的能级简 并。另外，为了减少氮核自旋对几何相的影响，可以将磁场仏大小设在510高斯左右来极化 氮核自旋；也可以将磁场仏偏离510高斯，通过使用选择性脉冲来减少氮核自旋的影响。
[0049] 本发明陀螺仪的工作原理是：由于存在着相对金刚石样品4旋转的第三微波线圈 16,对应该线圈上产生第三微波，当第三微波线圈16旋转时，在金刚石样品4所在的坐标系 看来，第三微波上的脉冲的相位是与旋转有关的，假定第三微波线圈16以D的角速率旋 转，第三微波线圈16上产生的两个31脉冲之间的时间间隔为t，则这两个31脉冲之间的 相位差为D t，在这里将这个相位差以Aharonov-Anandan几何相的形式反映到电子自旋的 状态上，最终通过荧光来读出这个相位差。将三个如图1所示结构的陀螺仪相互正交摆放 (即三块金刚石样品相互正交），分别测出在各自方向上的Aharonov-Anandan几何相，进而 还原出角速度，从而得到一个三轴陀螺仪。
[0050]根据本发明的另一方面，还提出了一种利用上述基于Aharonov-Anandan几何相 的金刚石色心陀螺仪测量角速度的方法，所述方法包括以下步骤：
[0051] 步骤1，将三个陀螺仪相互正交摆放，对于每个陀螺仪分别执行步骤2-4 ;
[0052] 步骤2,初始化阶段：使用中心波长为532纳米的激光器照射金刚石样品数微秒以 初始化电子自旋到|〇 >态；
[0053] 在本发明一实施例中，使用中心波长为532纳米的激光器照射金刚石样品1微秒 左右的时间。
[0054] 步骤3,累积相位阶段：使用具有第一频率4的第一微波上的第一个31 /2脉冲将 电子自旋制备到|〇 >与|1 >的叠加态；紧接着使用具有第三频率f2的第三微波上的第一 个31脉冲，操纵电子自旋到| 1 >与|_1 >的叠加态上；之后进入时长为T的第一阶段自由 演化，由于存在电子自旋与环境之间的耦合，会造成电子自旋的退相干，因此可以通过在T 时刻施加解親脉冲来延长相干时间。但此时电子自旋处于|1 >与|_1 >的叠加态，两个能 级之间的直接跃迀属于禁戒跃迀，此时的解耦脉冲与允许跃迀情况下的解耦脉冲会有所不 同。具体的解耦脉冲序列可参见图4,之后再经过T时间的第二阶段自由演化。上述的第 一阶段自由演化、解耦、第二阶段自由演化循环共重复进行2k轮，其中，k为正整数，4kXt 小于自旋相干时间。结束循环后施加第三微波上与旋转相关的第二个脉冲，将1-1 >上 的布局度转移到11 >上，此时得到|〇 >与11 >的叠加态。
[0055] 步骤4,读出阶段：通过施加第一微波上的最后一个JI/2脉冲，将相位信息反映到 电子自旋的布局度上，之后照射中心波长为532纳米的激光，紧接着开始收集荧光，通过荧 光来获取角速率的信息；
[0056] 步骤5,利用得到的三个方向上的角速率还原出角速度。
[0057] 能级结构图说明：如图4所示，不考虑电子与氮核的耦合，并且假定静磁场仏沿着 NV轴方向，此时的哈密顿量表示为：H = DSz2+gs ybBqSs，其中，D = 2. 87GHZ为零场分裂，&为 自旋角动量在Z方向的分量，gs为电子的朗德因子，yB为波尔磁子。当静磁场1^=0时， 此时|m s= 1 >与|ms= -1 >之间的能级是简并的（见图4的左半部分），其中，ms是自旋 量子数在磁场方向上的投影；当静磁gBgO时，可以消除|1>与|-1 >之间的能级简并， 此时|〇>与|_1 >之间的能级差为，对应的可以施加频率为的微 波来操作|〇 >与1-1 >之间的能级跃迀；此时|〇 >与|1 >之间的能级差为D+gsyBBQ，对 应的可以施加频率为的微波来操作|0 >与|1 >之间的能级跃迀。
[0058] 灵敏度的评估：考虑到退相干效应以及初态制备与末态读出所需的时间，则该陀 螺仪的灵敏度为：
[0059]
【主权项】
1. 一种基于Aharonov-Anandan几何相的金刚石色心陀螺仪，其特征在于，该陀螺仪包 括：反射镜、永磁铁、衬底、金刚石样品、第一微波线圈、第二微波线圈、多个面阵CCD、多个 滤波片、第三微波线圈、第一凸透镜、激光器、偏振片、二向色镜和第二凸透镜，其中： 所述反射镜安装在所述陀螺仪的底部，用于反射从金刚石样品发射出并到达底部的荧 光； 所述永磁铁安装在所述反射镜上，用于产生磁场，以使电子自旋产生能级分裂； 所述衬底粘结在永磁铁上； 所述金刚石样品、第一微波线圈和第二微波线圈固定放置在所述衬底上，且所述第一 微波线圈和第二微波线圈嵌套于所述金刚石样品的外侧； 所述陀螺仪下部的四壁上分别设有四个面阵CCD，每个面阵CCD朝向所述金刚石样品 的一侧均设有滤波片； 所述面阵CCD远离底部的一端架设有第三微波线圈； 所述第三微波线圈的底部固定设有第一凸透镜； 所述陀螺仪的一中部器壁上固定设有激光器，用于产生激光； 所述激光器的出光处设有偏振窗口，所述偏振窗口中设有偏振片，用于产生高偏振度 的激光； 所述激光器的前方斜设有二向色镜； 所述中部器壁的顶端架设有滤波片，用于过滤背景光； 所述滤波片朝向顶部的一侧粘结有第二凸透镜，用于汇聚从底部发出的荧光； 所述陀螺仪的顶部设有第五面阵CCD。
2. 根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述衬底采用无荧光特性且无磁性材 料。
3. 根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述第一微波线圈产生具有第一频率 H的微波，所述第二微波线圈产生具有第二频率4的微波。
4. 根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述第三微波线圈能够相对于所述金 刚石样品旋转，并产生具有第三频率4的微波。
5. 根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述反射镜、四个面阵CCD、相应的滤波 片和第三微波线圈组成一个封闭的空间，所述永磁铁、衬底、金刚石样品、第一微波线圈、第 二微波线圈置于该封闭空间内。
6. 根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述激光器为VCSEL激光器或半导体激 光器。
7. 根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，所述二向色镜以与水平面呈45度角的 方向设置在所述激光器的前方。
8. 根据权利要求1所述的陀螺仪，其特征在于，三个所述陀螺仪正交摆放形成三轴陀 螺仪。
9. 一种利用权利要求1所述的金刚石色心陀螺仪测量角速度的方法，其特征在于，所 述方法包括以下步骤： 步骤1，将三个陀螺仪相互正交摆放，对于每个陀螺仪分别执行步骤2-4 ; 步骤2,使用中心波长为532纳米的激光器照射金刚石样品数微秒以初始化电子自旋 到Io>态； 步骤3,使用具有第一频率4的第一微波上的第一个31/2脉冲将电子自旋制备到|0 >与11 >的叠加态；然后使用具有第三频率4的第三微波上的第一个脉冲，操纵电子 自旋到I1 >与1-1 >的叠加态上，之后进入时长为T的第一阶段自由演化；在T时刻施 加解耦脉冲，然后再经过T时间的第二阶段自由演化；将第一阶段自由演化、解耦、第二阶 段自由演化的过程重复2k轮，其中，k为正整数，4kXT小于自旋相干时间，施加第三微波 上与旋转相关的第二个JT脉冲，将1-1 >上的布局度转移到I1 >上，此时得到|〇 >与I1 >的叠加态； 步骤4,施加第一微波上的最后一个31/2脉冲，将相位信息反映到电子自旋的布局度 上，之后照射中心波长为532纳米的激光，通过收集荧光来获取角速率信息； 步骤5,利用得到的三个方向上的角速率还原出角速度。
【专利摘要】本发明公开了一种基于Aharonov-Anandan几何相的金刚石色心陀螺仪及角速度测量方法，该陀螺仪包括：反射镜、永磁铁、衬底、金刚石样品、第一微波线圈、第二微波线圈、多个面阵CCD、多个滤波片、第三微波线圈、第一凸透镜、激光器、偏振片、二向色镜和第二凸透镜。本发明同时还提出了一种利用所述金刚石色心陀螺仪测量角速度的方法。本发明提出的陀螺仪具有体积小、量程大等特点，因此在制导弹药方面具有潜在的应用。
【IPC分类】G01C19-60
【公开号】CN104697512
【申请号】CN201510125470
【发明人】浮建伟, 代映秋, 荣星, 杜江峰
【申请人】中国科学技术大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月20日