[发明专利]基于金刚石NV色心的三轴加速度传感器

说明书

本发明设计了一种基于金刚石NV色心的三轴加速度传感器，采用金刚石NV色心作为敏感元件，利用532nm的激光激发NV色心，在外加微波的条件下会发出荧光，通过收集和数据处理系统可以得到ODMR光谱。建立一个三维坐标轴，在某一方向施加磁场会得到相应的ODMR光谱，通过与已知的在三个坐标方向施加磁场得到的ODMR光谱进行比较，可以得到外加磁场的方向，通过测量ODMR光谱中两个荧光强度峰值之间的共振频率差就能得到外加磁场的磁场强度。而外加磁场的大小和方向与加速度的大小和方向相关，从而可以测出加速度的方向和大小，实现三轴加速度传感器的设计目标。

技术领域

本发明涉及加速度传感器的技术领域，具体为一种基于金刚石NV色心的三轴加速度传感器。

背景技术

加速度传感器又称加速度计，是测量物体运动状态的一种非常重要的检测器件，是工业、国防等许多领域中进行冲击、振动、导航等常用的测量仪器。随着科学技术的发展，出现了各种类型和结构的加速度传感器，主要有MEMS加速度计、晶振加速度计、陀螺加速度计等，但是随着技术的日趋成熟，这些加速度计指标的提高已经变得困难。为了获得更高的测量精度和灵敏度，以及仪器设备的小型化，量子物理的理念与技术逐渐被应用于仪器设备中，基于金刚石NV色心的量子物理的研究也取得了很大进展。利用金刚石NV色心的顺磁性和光学性质，可以实现超高灵敏磁场测量，将金刚石NV色心作为加速度的敏感单元，可以实现超高灵敏的加速度测量。同时，利用金刚石NV色心为正四面体结构，NV轴存在4个方向，不同方位的磁场变化在4个方向的作用不同，从而可以判断变化磁场的方位，由此可以设计出三轴加速度传感器。

发明内容

本发明针对金刚石NV色心的良好的光学特性、顺磁性和退相干特性，提出一种基于金刚石NV色心的三轴加速度计。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于金刚石NV色心的三轴加速度传感器，包括金刚石、PCB天线、半导体激光器、微波源、光电探测器、示波器、滤光片、平凸镜、二向色镜、物镜、永磁铁、弹簧、固定台及光路构成；

所述半导体激光器发出的激光经二向色镜和物镜照射金刚石，微波源产生的微波通过PCB天线发射并作用于金刚石NV色心上，NV色心激发态电子将与微波发生共振并发出的荧光依次经过物镜、二向色镜、平凸镜、滤光片后被光电探测器收集，光电探测器输出电信号至示波器后显示出ODMR光谱；

所述固定台内通过三个方向的弹簧固定永磁体，所述永磁体位于金刚石后方。

本发明的设计原理为：金刚石NV色心的对称轴为由氮和空穴形成的晶轴，称为NV轴，NV色心为正四面体结构，NV轴存在4个方向。对于某一位置磁场的变化，不同方向的NV轴所能感受到的磁场强度是不同的，建立一个坐标系，对坐标系的不同轴向施加磁场，磁场在4个NV轴方向上的投影不同，对NV色心激发态电子与微波磁场产生共振辐射出荧光的收集和数据处理形成的ODMR光谱也不相同，而且光谱中两个共振频率的差值与磁场强度有着一定的线性关系，通过测量共振频率差就可以得到外加磁场的磁场强度。基于此原理设计出的加速度计，可以根据ODMR光谱判断出加速度变化的方向及大小，达到设计目的。