一种基于内嵌nv-色心金刚石的磁场测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁场测量的技术领域，具体涉及一种基于内嵌NV色心金刚石磁测量 装置，可用于高空间分辨率、微弱磁场的测量，在基础物理、化学材料、生物医学、工业检测 等领域有重要应用价值。
【背景技术】
[0002] 随着社会和科学技术的不断进步，对弱磁场测量的需求不断增加。一些新的物理 效应的发现、新技术的突破，使磁场测量装置的性能有了很大提升。弱磁测量技术已经渗透 在基础物理、生物医学、工业检测、军事国防等领域，同时在物联网、智能电网中也有广泛的 应用前景。
[0003] 超导量子干涉仪（superconducting quantum interference device，SQUID)是目 前工程应用中灵敏度最高的弱磁测量装置，但是仪器工作时需要液氮或液氦降温，并保持 4. 2K或77K的温度，维护费用较高且低温设备必不可少，导致仪器体积庞大，空间分辨率不 高。基于的无自旋交换弛豫（spin-exchange relaxation free，SERF)的磁强计需要对敏 感源加热，在生物磁场探测、成像时需要对探头进行隔热处理，这限制了其应用，同时加热 装置、隔热装置也增大了仪器的体积。因此目前急需小体积、高空间分辨率、工作在室温的 磁场测量装置。
[0004] 近年来，内嵌NV色心的金刚石材料在量子测量领域的应用引起研究人员的关注。 采用NV色心中的电子自旋可以实现磁场的测量。通过光学及微波手段实现NV色心电子 自旋的操控，利用电子自旋对磁场敏感特性，会使得电子自旋布局数发生变化，进而使荧光 强度变化，实现磁场的测量。内含NV色心的金刚石可在室温下进行工作，不需要温度控制 装置，且金刚石是固体材料，敏感探头可以很小，可拥有较高的空间分辨率。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是：提出一种基于内嵌NV色心金刚石的磁场测量装置， 具有能在室温条件下实现高空间分辨率弱磁测量能力，以及成本低、体积小、操作简易的特 性。本发明还提供了所述基于内嵌NV色心金刚石的磁场测量装置的基本工作原理和工作 方式。
[0006] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于内嵌NV色心金刚石的磁 场测量装置，包括CCD图像传感器、光纤耦合器、调整架和磁场测量探头，其中：
[0007] 所述磁场测量探头的前端是一个相移型微纳光纤布拉格光栅，内嵌NV色心金刚 石位于布拉格光栅中央的微腔内。相移型微纳光纤布拉格光栅背面镀有一条铜质微带天 线，通过微带天线末端的高频接线端连接至微波源，为NV色心提供操控微波场。相移型微 纳光纤布拉格光栅末端用聚焦粒子束切平用于反射部分荧光，其前端通过一段圆锥过渡区 域与普通光纤相连，在普通光纤靠近相移型微纳光纤布拉格光栅处外侧缠绕细铜线形成静 磁场线圈，静磁场线圈的接线端与电源连接，为静磁场线圈供电产生静磁场。普通光纤远离 相移型微纳光纤布拉格光栅的一端连接至光纤親合器。
[0008] 所述C⑶图像传感器、光纤耦合器、调整架集成于磁场测量装置外框内。与532nm 的激光器相连的光纤由调整架固定，光纤发出的532nm激光通过透镜准直后照射到二向色 镜上并反射，通过对位于调整架和二向色镜上的旋钮的调节可以使反射的532nm激光通过 光纤耦合器耦合至磁场测量探头，照射到位于磁场测量探头前端的内嵌NV色心金刚石，导 致金刚石内的NV色心的电子自旋被极化，NV色心的电子自旋与外界待测磁场相互作用 后，产生的600nm-800nm的荧光沿与入射激光相同的路径返回并透过二向色镜，经过滤波 片滤掉532nm反射激光只让荧光通过。透过滤波片的荧光由CXD图像传感器进行采集，通 过对荧光的强度的检测实现磁场的测量。
[0009] 所述内嵌NV色心金刚石是内嵌NV色心的纳米金刚石颗粒，将含有纳米金刚石颗 粒的溶液滴入相移型微纳光纤布拉格光栅中央的微腔内，利用532nm激光照射，通过检测 是否有荧光判断纳米金刚石颗粒是否被放入微腔内。溶液蒸发后纳米金刚石颗粒便附着在 微腔内部。
[0010] 所述相移型微纳光纤布拉格光栅是一种光学微腔谐振器，是在直径约1~10 μ m 的微纳光纤上刻蚀周期为Λ、在中央有1.5倍Λ相移的光栅。光栅周期按照公式各二^ 计算，其中η为微纳光纤的有效折射率，取λ = 532nm可使532nm激光在移相微腔内产生 共振。光栅周期个数根据实际需求选择，光栅中央微腔长度不应超过1.5倍的Λ。
[0011] 另外，本发明提供的一种基于内嵌NV色心金刚石的磁场测量装置，按照以下工作 方法实现磁场的测量。
[0012] 金刚石NV色心的基态能级是三能级结构，可被532nm的激光极化到自旋S = 0状 态，利用微波脉冲对基态能级进行操控，被操控的能级之间产生相干性，在待测外磁场环境 下会产生相对相位，相对相位可以转化为荧光强度，通过对荧光强度的检测实现待测磁场 在金刚石NV轴上投影的测量。对于确定的金刚石，NV轴的方向是确定的，因此可以实现磁 场的矢量测量。
[0013] 给静磁场线圈施加一定已知强度电流产生参考静磁场，在参考磁场条件下，金刚 石NV色心能级S = O与S=I或S = O与S = -I之间的能级差是确定的，记为Δ。使用 时按照以下时序完成一次磁场的测量：
[0014] (1)、初始化阶段：启动电源，532nm激光通过经透镜准直后照射到二向色镜上，被 反射后通过光纤耦合器进入到磁场测量探头并照射到内嵌NV色心的金刚石，初始化金刚 石内NV色心电子自旋；
[0015] (2)、测量阶段：静磁场与交流磁场测量时序不同，分别进行说明。
[0016] ①静磁场：采用Ramsey序列进行测量。断掉激光，通过微带天线施加频率为Δ的 微波脉冲，脉冲时长为半个电子自旋的拉比振荡周期即/2脉冲；让体系自由演化τ时 间，τ小于NV色心电子自旋的退相干时间T 再输入一个时长为π /2微波脉冲；
[0017] ②交流磁场：采用Hahn回声序列进行测量。断掉激光，通过微带天线施加频率为 A的微波，脉冲时长为半个电子自旋的拉比振荡周期即π/2脉冲；让体系自由演化τ/2 时间，输入一个时长为31微波脉冲；再让体系自由演化τ/2时间后输入一个时长为π/2 微波脉冲。τ根据待测交流磁场的频率确定，如果待测磁场频率V已知，则τ =2π/V，若 磁场未知，则先需要扫描τ，选择荧光强度最强时对应的τ进行测量。
[0018] (3)、读出阶段：在最后一个微波脉冲输入后输入一个激光脉冲，金刚石NV-色心 产生荧光，部分荧光沿入射光路径返回至二向色镜并透过二向色镜，经滤波片滤除反射回 来的激光，最后利用CCD图像传感器对荧光强度进行检测，读出信号。
[0019] 本发明的原理：本发明通过对金刚石内NV色心的自旋相干态在外磁场环境下产 生的相对相位进行检测实现转磁场的测量。其基本原理为：利用532nm激光将NV色心电 子自旋极化，使电子自旋初始化至自旋S = 0的态。施加频率约为△、脉冲时长为半个电 子自旋的拉比振荡周期即π /2的微波脉冲后，电子自旋的S = 0态与S = 1态或S = 0态 与S = -1态变成相干状态，当金刚石样品在处于外界磁场中时，相干状态将产生相对相位。 若果待测磁场为交流磁场，需要再加一个脉冲，可消除环境扰动带来的影响。然后通过 另一个/2的微波脉冲作用可以将相对相位转化为电子自旋的布居。最后利用532nm激 光照射可将电子自旋从基态激发，由于仅有自旋S = 0态的电子从激发态落回基态时发出 荧光，因此通过检测荧光强度可实现电子自旋布居数的检测，从而可得到相对相位的大小， 进而可获得待测磁场沿色心NV轴方向的投影。
[0020] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0021] (1)、本发明以固体材料纳米金刚石颗粒中的NV色心电子自旋作为敏感元，在保 证敏感原子数目的同时可有效的缩小探头体积。
[0022] (2)、本发明利用相移型微纳光纤布拉格光栅作为磁场测量探头样品腔，可有效地 将激光集中到金刚石上，提高了金刚石NV色心的极化率；同使可使探头体积非常小，能在 被测对象表面或探入微小的孔和缝隙中进行测量，实现高空间分辨率的磁场测量。
[0023] (3)、本发明的探头通过普通光纤与装置主体连接，可突破被探测对象距离和尺寸 的限制。
[0024] (4)、本发明对操作温度没有要求，所有测量可以在室温下进行，扩大了系统应用 范围。不需要温控装置，简化了装置，降低了成本。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明的磁场测量探头放大图；
[0026] 图2为本发明的结构图；
[0027] 附图标记列示如下：1-普通光纤，2-静磁场线圈，3-高频接线端，4-微带天线， 5_相移型微纳光纤布拉格光栅，6-内嵌NV色心金刚石，7-CXD图像传感器，8-磁场测量装 置外框，9-滤波片，10-二向色镜，11-光纤耦合器，12-磁场检测探头，13-透镜，14-调整 架。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图以及【具体实施方式】进一步说明本发明。
[0029] 一种基于内嵌NV色心金刚石的磁场测量装置，包括C⑶图像传感器7、滤波片9、 二向色镜10、光纤耦合器11、透镜13、调整架14和磁场测量探头12。所述磁场测量探头12 包括内嵌NV色心金刚石6敏感部件，相移型微纳光纤布拉格光栅5,微带天线4,静磁场线 圈2,普通光纤1。
[0030] 所述C⑶图像传感器7、光纤耦合器11和调整架14集成于磁场测量装置外框8内。 调整架14固定与532nm激光器相连的光纤，经光纤出射的532nm的激光通过透镜13准直 后被二向色镜10反射，通过对位于调整架14和二向色镜上10的旋钮的调节可以使反射激 光通过光纤耦合器11耦合至磁场测量探头12,照射到位于磁场测量探头末端的内嵌NV色 心纳米金刚石颗粒6,导致金刚石内的NV色心的电子自旋被极化，NV色心的电子自旋与外 界待测磁场相互作用，产生的600nm-800nm的荧光沿与入射激光相同的路径