一种提高金刚石NV色心光子产生和收集效率的方法与流程

本发明涉及一种提高金刚石nv色心光子产生和收集效率的方法，本方法具有几乎100％的收集效率，此外还具有输出稳定、结构简单紧凑、易于集成等优点。

背景技术：

nv色心是金刚石晶体中的一种发光点缺陷，一个氮原子取代金刚石中的碳原子，并且在临近位有一个空穴，这样的点缺陷被称为nv色心。金刚石nv色心是一个非常重要的物理系统，特别是对于量子技术(包括量子度量学、量子信息过程、量子通讯等)和生物成像等领域有广泛的应用。考虑到金刚石nv色心在这些方面的应用前景，对它的研究一直是物理学研究的热点问题。但是通常情况下，块状金刚石内部的nv色心发出的光子只有很少部分能在金刚石表面发生折射被物镜收集，大部分都在金刚石表面发生全反射，因此只有很少一部分被收集和利用。通常情况下，块状的金刚石材料中的nv色心发出的光子可以利用高数值孔径的显微镜物镜来收集。但是块状金刚石内部的nv色心发出的光子只有很少一部分能在金刚石表面发生折射被物镜收集，大部分都在金刚石表面发生全反射，不能被物镜收集，导致金刚石nv色心发出的光子的收集效率≤10％(利用最大数值孔径1.49的物镜)，同时考虑到探测器的耦合和量子效率，光子的探测效率<2％。低的光子收集效率严重的限制了金刚石nv色心在量子信息和量子物理领域的应用。

为了提高光子的收集效率，传统的方法是利用离子束刻蚀等手段在块状金刚石表面刻蚀出透镜的形状，或者利用现代微纳技术产生一些特殊的微纳结构等手段，但是这些方法的实现装置非常的复杂，对实验要求非常的高。最近一段时间也有些研究小组报导利用侧面收集技术(side-collectiontechnique)来提高光子收集效率，这个方案利用了四个光电探测器从金刚石样品的四周收集nv色心发射出来的光子，收集效率达到了47％，但是这个方法收集的效率仍然较低，还有较大的提升空间，并且为了提高光子收集效率需要使用四个光电探测器。

技术实现要素：

为了避免上述现有技术所存在的不足之处，本发明旨在提供一种提高金刚石nv色心光子产生和收集效率的方法，以克服传统的金刚石nv色心发光收集效率极低这个nv色心应用过程中致命的缺点。

本发明提高金刚石nv色心光子产生和收集效率的方法，是利用金刚石纳米颗粒中的nv色心作为发光介质，将纳米金刚石颗粒束缚在空心光纤中，并结合反馈技术，利用532nm激光实现对nv色心的激发，并且可以实现很高的光子收集效率。

本发明提高金刚石nv色心光子产生和收集效率的方法，包括如下步骤：

1、将纳米金刚石颗粒和光学胶(可以根据所需的激光功率强度调节光学胶中金刚石颗粒的百分比)混合均匀后注入到空心光纤中，固化后获得光纤增益介质；

所述纳米金刚石颗粒为电子级的10nm或20nm金刚石纳米颗粒。

2、将532nm激发光入射到光纤增益介质中激发其中的金刚石nv色心，532nm激发光和产生的光子从光纤前向传输出去，利用反射镜将前向传输出的532nm激发光和光子反射回光纤中，532nm激发光再一次和金刚石nv色心相互作用，产生的光子以及反射回的光子从光纤后向传输出去，经过双色镜发射到滤波器中，经过滤波器的光子被光电探测器收集。

步骤2中，532nm激发光入射到光纤中之前需要两次通过声光调制器来实现光学脉冲，两次通过声光调制器(消光比为10⁶/1)较单次通过声光调制器(消光比为10³/1)具有更高的消光比，随后将经过两次声光调制器的532nm激发光注入到光纤中激发金刚石nv色心。

后向传输的光子可以直接被收集，而前向传输的光子通过反射镜反馈回光纤中，这样前向的光子也会被收集。本光纤光源基于上述机制，可以实现近乎100％的光子收集效率。

本发明将纳米金刚石颗粒注入空心光纤中，金刚石nv色心发出的光子会在光纤中发生全发射，沿着光纤传输，不会从光纤中泄露出去，从光纤端口输出的光子都可以被收集，金刚石色心发出的光子几乎可以完全被收集。另外利用光学反馈机制可以将532nm激光和金刚石nv色心之间的耦合强度增加至原来的2倍，可以降低532nm激发光的强度，实现更高的光子转化效率。

金刚石纳米颗粒的nv色心的电子自旋三态(³a2和³e)和自旋单态(¹a1和¹e)如图2。电子自旋三态³a2→³e跃迁能利用450nm到637nm波长的激光来激发，典型的都是利用532nm的固态激光器来驱动这个跃迁。金刚石nv色心发出的光子(³e→³a2跃迁发出的光子)波长范围是637nm-800nm。本光纤光源不同于通常的金刚石nv色心发出光子利用物镜来收集，本发明将纳米金刚石颗粒和光学胶充分混合均匀，并将该混合物注入空心光纤中。这样可以将532nm的激发光入射到光纤中激发其中的金刚石nv色心，光纤中的局域效应可以增强532nm激光和金刚石nv色心的相互作用强度。另外532nm激光和产生的光子从光纤传输出去，利用反射镜将其反射回光纤中，532nm激光可以再一次和金刚石nv色心相互作用，这可以进一步增强532nm激光和金刚石nv色心的相互作用强度。另外由于金刚石处在空心光纤中，其产生的光子会沿着光纤传输，后向传输的光子可以直接被收集，而前向的光子通过反射镜反馈回光纤中，这样前向的光子也会被收集。本光纤光源基于上述机制，可以实现近乎100％的光子收集效率。

利用这种掺杂金刚石nv色心的光纤可以用来实现量子传感器，特别是磁力计。由于这种掺杂金刚石nv色心的空心光纤具有比块状金刚石nv色心更高的光子收集效率，用来实现量子传感器可以有更高的测量灵敏度。因此，这种基于掺杂金刚石nv色心的新型光纤光源将会在量子通信和量子精密测量等领域有广泛的用途。

本发明的有益效果体现在：

本方法利用空心光纤的局域效应实现增强532nm光场对金刚石nv色心的激发效果，而且nv色心发出的光子也会被束缚在光纤中，并且沿着光纤传输。另外我们在光纤的另一端加一个发射镜将532nm激光反馈回光纤中，同时返回光纤中的还有金刚石nv色心产生的光子。这样光纤中的金刚石色心发出的光子沿着前向和后向的都会被收集，收集的效率可以近似达到100％。与之前的其它方案相比较，本发明可以实现更高的光子收集效率，而且由于光纤的局域效应和反馈机制的存在，它只需要更弱的532nm激光来激发nv色心，结构更加简单，操作更加方便，应用前景更加广泛。

本发明可以让532nm激发光工作在较低的功率下，实现金刚石nv色心发出光子的近乎100％的收集效率，并且装置简单，系统稳定、结构紧凑、应用方便、易于集成等优点。

附图说明

图1是存在nv色心缺陷的金刚石晶格结构。n表示氮原子，v表示空穴，黑色的圆球代表的是碳原子。

图2是金刚石nv色心电子能级结构，³e和³a2分别是电子自旋三态，¹e和¹a1是电子自旋单态。

图3是本发明方法的光路示意图。

其中1：532nm固体激光器(激发光场)；2：极化分束器；3和5：300mm焦距的透镜；4：声光调制器；6和15：反射镜；7：双色镜；8：滤波器；9：光电探测器；10和14：100mm焦距的透镜；11：光纤增益介质；12：3维位移台；13：四分之一波片。

1：532nm固体激光器(激发光场)，主要用来激发空心光纤中的纳米金刚石颗粒。

2：极化分束器，利用激光的偏振不同来进行分束。

3和5：300mm焦距的透镜，主要用来对激光的进行聚焦。

4：声光调制器，主要用来实现光束的高速开关。

6和15：反射镜，主要实现光束的全反射。

7：双色镜，主要作用是实现对532nm激光的全反射以及对600-850nm激光的全透射。

8：滤波器，主要作用是实现对532nm激光的滤波。

9：光电探测器，探测空心光纤中的纳米金刚石颗粒产生的激光的功率大小。

10和14：100mm焦距的透镜，主要用来对激光的进行聚焦。

11：光纤增益介质，这个主要是由空心光纤中的纳米金刚石颗粒组成，用来作为新型光

源的增益介质。

12：3维位移台，主要用来调节光纤增益介质的位置。

13：四分之一波片，主要用来调节激光的偏振。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步分析说明。

本发明提高金刚石nv色心光子产生和收集效率的方法，是利用金刚石纳米颗粒中的nv色心作为发光介质，将纳米金刚石颗粒束缚在空心光纤中，并结合反馈技术，利用532nm激光实现对nv色心的激发，并且可以实现很高的光子收集效率。

本发明提高金刚石nv色心光子产生和收集效率的方法如下：

1、将纳米金刚石颗粒和光学胶(根据所需的激光功率强度调节光学胶中金刚石颗粒的百分比)混合均匀后注入到空心光纤中，固化后获得光纤增益介质，光纤的两端切割平整；所述纳米金刚石颗粒为电子级的10nm或20nm金刚石纳米颗粒。

2、将532nm固体激光器1发出的532nm激发光两次通过声光调制器4来实现光学脉冲，两次通过声光调制器(消光比为10⁶/1)较单次通过声光调制器(消光比为10³/1)具有更高的消光比。

3、将两次经过声光调制器4的532nm激发光注入到光纤增益介质11中激发其中的金刚石nv色心，532nm激发光和产生的光子从光纤前向传输出去，利用反射镜15将前向传输出的532nm激发光和光子反射回光纤中，532nm激发光再一次和金刚石nv色心相互作用，产生的光子以及反射回的光子从光纤后向传输出去，经过双色镜7发射到滤波器8中，经过滤波器8的光子被光电探测器9收集。

后向传输的光子可以直接被收集，而前向传输的光子通过反射镜反馈回光纤中，这样前向的光子也会被收集。本光纤光源基于上述机制，可以实现近乎100％的光子收集效率。

本发明将纳米金刚石颗粒注入空心光纤中，金刚石nv色心发出的光子会在光纤中发生全发射，沿着光纤传输，不会从光纤中泄露出去，从光纤端口输出的光子都可以被收集，金刚石色心发出的光子几乎可以完全被收集。另外利用光学反馈机制可以增加532nm激光和金刚石nv色心之间的耦合强度增加至原来的2倍，可以降低532nm激发光的强度，实现更高的光子转化效率。