[发明专利]一种基于内嵌NV‑色心金刚石的磁场测量装置

说明书

技术领域

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

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。

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。

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

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。

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：

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耦合器。

所述CCD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CCD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。

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。