金刚石NV色心微波激射器的制作方法

本发明涉及金刚石量子传感，尤其涉及一种金刚石nv色心微波激射器。

背景技术：

1、目前基于金刚石nv(nitrogen-vacancy，氮-空位)色心的各种器件的研究正在逐渐发展，其中，金刚石nv色心微波激射器的发展趋势良好。金刚石nv色心微波激射器的工作原理主要为采用磁场使金刚石nv色心塞曼劈裂，再施加激光和微波，从而使金刚石nv色心的微波粒子受激辐射，进而实现微波放大。

2、然而，现有的金刚石nv色心微波激射器能够参与受激辐射的微波粒子数相对于总微波粒子数的比例极低，从而导致受激辐射出的微波功率较低，微波放大效果不理想。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种金刚石nv色心微波激射器，以解决现有的金刚石nv色心微波激射器的微波放大效果不理想的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种金刚石nv色心微波激射器，包括：

3、第一谐振腔、第二谐振腔、金刚石nv色心、磁场发生器、激光模块、微波模块和脉冲信号发生器；

4、所述金刚石nv色心位于所述第二谐振腔的内部，所述第二谐振腔位于所述第一谐振腔的内部；

5、所述磁场发生器位于所述第一谐振腔的外部，用于产生磁场，以使所述金刚石nv色心的微波粒子发生塞曼劈裂；

6、所述脉冲信号发生器与所述激光模块、所述微波模块连接，用于向所述微波模块和所述激光模块发送脉冲信号；

7、所述脉冲信号用于在每个周期内，控制所述激光模块向所述金刚石nv色心发射激光，以使塞曼劈裂后的微波粒子极化到基态ms＝|0>能级，之后控制所述激光模块停止发射激光，并控制所述微波模块向所述第一谐振腔内发射微波信号，以使极化到基态ms＝|0>能级的微波粒子受激辐射到基态ms＝|-1>能级上。

8、在一种可能的实现方式中，所述脉冲信号包括第一脉冲信号和第二脉冲信号；

9、所述第一脉冲信号与所述第二脉冲信号的周期时间相同，且每个周期的起始时刻相同；

10、在每个周期内，所述第一脉冲信号包括第一开启脉冲，所述第一开启脉冲用于触发所述激光模块发射激光；

11、在每个周期内，所述第二脉冲信号包括第二开启脉冲，所述第二开启脉冲用于触发所述微波模块发射微波信号；

12、在每个周期内，所述第二开启脉冲的起始时刻等于所述第一开启脉冲的结束时刻。

13、在一种可能的实现方式中，所述激光模块包括声光调制器和激光器；

14、所述声光调制器的一端与所述脉冲信号发生器连接，另一端与所述激光器连接，所述激光器位于所述金刚石nv色心正上方或正下方；

15、所述声光调制器用于根据接收到的所述第一开启脉冲开启所述激光器，并控制所述激光器向所述金刚石nv色心发射激光，以使所述金刚石nv色心的微波粒子极化到基态ms＝|0>能级。

16、在一种可能的实现方式中，所述第一开启脉冲的持续时间范围为1μs至100μs，所述第二开启脉冲的持续时间范围为0.1ms至10ms。

17、在一种可能的实现方式中，所述微波模块包括微波开关、微波源、微波输入端口；

18、所述微波开关的一端与所述脉冲信号发生器连接，另一端与所述微波源连接，所述微波源与所述微波输入端口连接；

19、所述微波开关用于根据接收到的所述第二开启脉冲开启所述微波源，并控制所述微波源通过所述微波输入端口向所述第一谐振腔内发射微波信号，以使极化到基态ms＝|0>能级的微波粒子受激辐射到基态ms＝|-1>能级上。

20、在一种可能的实现方式中，所述微波模块还包括微波输出端口，所述微波输出端口用于将受激辐射后的微波信号发射到所述第一谐振腔外部。

21、在一种可能的实现方式中，所述磁场的方向与所述金刚石nv色心的晶向相同。

22、在一种可能的实现方式中，所述金刚石nv色心的色心浓度范围为0.1ppm至200ppm。

23、在一种可能的实现方式中，所述第一谐振腔的材质为铜，所述第二谐振腔的材质为蓝宝石，所述第一谐振腔为空心圆柱体或空心立方柱体，所述第二谐振腔为中空环状圆柱体或中空环状立方柱体。

24、本发明实施例提供一种金刚石nv色心微波激射器，包括第一谐振腔、位于第一谐振腔内部的第二谐振腔、位于第二谐振腔内部的金刚石nv色心、磁场发生器、激光模块、微波模块和脉冲信号发生器。其中，磁场发生器可以产生磁场，使金刚石nv色心的微波粒子发生塞曼劈裂，脉冲信号发生器会分别向激光模块和微波模块发送脉冲信号，脉冲信号会在每个周期内，先控制激光模块向所述金刚石nv色心发射激光，使塞曼劈裂后的微波粒子极化到基态ms＝|0>能级，之后控制所述激光模块停止发射激光，并控制所述微波模块向所述第一谐振腔内发射微波信号，以使极化到基态ms＝|0>能级的微波粒子受激辐射到基态ms＝|-1>能级上。

25、如此，通过脉冲信号发生器生成的脉冲信号开启激光模块发射激光，再停止发射激光，可以避免基态ms＝|0>能级的微波粒子转化为激发态ms＝|0>能级的情况的发生，因此，当激光停止发射后，控制微波模块发射微波信号，可以使基态ms＝|0>的微波粒子全部参与受激辐射过程，从而提升受激辐射的微波粒子的数目和受激辐射出的微波功率，提高金刚石nv色心微波激射器的微波放大效果。

技术特征：

1.一种金刚石nv色心微波激射器，其特征在于，包括第一谐振腔、第二谐振腔、金刚石nv色心、磁场发生器、激光模块、微波模块和脉冲信号发生器；

2.根据权利要求1所述的金刚石nv色心微波激射器，其特征在于，所述脉冲信号包括第一脉冲信号和第二脉冲信号；

3.根据权利要求2所述的金刚石nv色心微波激射器，其特征在于，所述激光模块包括声光调制器和激光器；

4.根据权利要求2所述的金刚石nv色心微波激射器，其特征在于，所述第一开启脉冲的持续时间范围为1μs至100μs，所述第二开启脉冲的持续时间范围为0.1ms至10ms。

5.根据权利要求2所述的金刚石nv色心微波激射器，其特征在于，所述微波模块包括微波开关、微波源、微波输入端口；

6.根据权利要求5所述的金刚石nv色心微波激射器，其特征在于，所述微波模块还包括微波输出端口，所述微波输出端口用于将受激辐射后的微波信号发射到所述第一谐振腔外部。

7.根据权利要求1所述的金刚石nv色心微波激射器，其特征在于，所述磁场的方向与所述金刚石nv色心的晶向相同。

8.根据权利要求1-7任一项所述的金刚石nv色心微波激射器，其特征在于，所述激光的功率范围为100mw至10w，所述激光的波长为532nm。

9.根据权利要求1-7任一项所述的金刚石nv色心微波激射器，其特征在于，所述金刚石nv色心的色心浓度范围为0.1ppm至200ppm。

10.根据权利要求1-7任一项所述的金刚石nv色心微波激射器，其特征在于，所述第一谐振腔的材质为铜，所述第二谐振腔的材质为蓝宝石，所述第一谐振腔为空心圆柱体或空心立方柱体，所述第二谐振腔为中空环状圆柱体或中空环状立方柱体。

技术总结
本发明提供一种金刚石NV色心微波激射器，包括第一谐振腔、第二谐振腔、金刚石NV色心、磁场发生器、激光模块、微波模块和脉冲信号发生器；磁场发生器用于产生磁场，以使金刚石NV色心的微波粒子发生塞曼劈裂；脉冲信号发生器用于向微波模块和激光模块发送脉冲信号；脉冲信号用于在每个周期内，控制激光模块向金刚石NV色心发射激光，以使塞曼劈裂后的微波粒子极化到基态Ms＝|0>能级，之后控制激光模块停止发射激光，并控制微波模块向第一谐振腔内发射微波信号，以使极化到基态Ms＝|0>能级的微波粒子受激辐射到基态Ms＝|‑1>能级上。本发明能够解决现有的金刚石NV色心微波激射器的微波放大效果不理想的问题。

技术研发人员：高学栋,冯志红,蔚翠,周幸叶
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十三研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16