[发明专利]一种基于内嵌NV‑色心金刚石的磁场测量装置

权利要求书

1.一种基于内嵌NV^-色心金刚石的磁场测量装置，其特征在于，包括CCD图像传感器(7)、光纤耦合器(11)、调整架(14)和磁场测量探头(12)，所述磁场测量探头包括内嵌NV^-色心金刚石(6)敏感部件，相移型微纳光纤布拉格光栅(5)，静磁场线圈(2)，微带天线(4)和普通光纤(1)；其中：

所述磁场测量探头(12)的前端是一个相移型微纳光纤布拉格光栅(5)，内嵌NV^-色心金刚石(6)位于相移型微纳光纤布拉格光栅(5)中央的微腔内，相移型微纳光纤布拉格光栅(5)背面镀有一条铜质微带天线(4)，通过其末端高频接线端(3)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(5)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(1)相连，在普通光纤(1)靠近相移型微纳光纤布拉格光栅(5)处外侧缠绕细铜线形成静磁场线圈(2)，静磁场线圈(2)的接线端与电源的连接，为静磁场线圈供电产生静磁场，普通光纤(1)远离相移型微纳光纤布拉格光栅(5)的一端连接至光纤耦合器(11)；

所述CCD图像传感器(7)、光纤耦合器(11)、调整架(14)集成于磁场测量装置外框(8)内，与532nm的激光器相连的光纤由调整架(14)固定，光纤发出的激光通过透镜(13)准直后照射到二向色镜(10)上并反射，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的532nm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(12)前端的内嵌NV^-色心金刚石(6)，导致金刚石(6)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(10)，经过滤波片(9)滤掉532nm反射激光只让荧光通过，透过滤波片的荧光由CCD图像传感器(7)进行采集，通过对荧光的强度的检测实现磁场的测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于内嵌NV^-色心金刚石的磁场测量装置，其特征在于，所述内嵌NV^-色心金刚石(6)是内嵌NV^-色心的纳米金刚石颗粒，将含有纳米金刚石颗粒(6)的溶液滴入到相移型微纳光纤布拉格光栅(5)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(6)是否被放入微腔内，溶液蒸发后纳米金刚石颗粒(6)便附着在微腔内部。

3.根据权利要求1所述的一种基于内嵌NV^-色心金刚石的磁场测量装置，其特征在于，所述相移型微纳光纤布拉格光栅(5)是一种光学微腔谐振器，是在直径约1～10μm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，使532nm激光在光栅中央的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。

4.一种如权利要求1至3之一所述的基于内嵌NV-色心金刚石的磁场测量装置测量磁场的工作方法，其特征在于：

金刚石NV-色心的基态能级可被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；

给静磁场线圈(2)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＝0与S＝1或S＝0与S＝-1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：

(1)、初始化阶段：启动电源，532nm激光通过透镜(13)准直后照射到二向色镜上(10)，被反射后通过光纤耦合器(11)进入到磁场测量探头(12)并照射到内嵌NV-色心金刚石(6)上，初始化金刚石内NV-色心电子自旋；

(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：

①静磁场：采用Ramsey序列进行测量，断掉激光，通过微带天线(4)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π/2脉冲；让体系自由演化τ时间，τ小于NV-色心电子自旋的横向弛豫时间T₂^*；再输入一个时长为π/2微波脉冲；

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(4)施加频率为Δ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π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；

(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(10)并透过二向色镜，经滤波片(9)滤除反射回来的激光，最后利用CCD图像传感器(7)对荧光强度进行检测，读出信号。