[发明专利]一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法

说明书

本发明公开一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法，包括激光脉冲发生装置、微波信号发生装置、脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置和计算机；所述脉冲信号发生器、荧光探测装置、扫描装置分别与计算机电连接；所述激光脉冲发生装置、微波信号发生装置分别与脉冲信号发生器电连接；所述激光脉冲发生装置用于产生激光脉冲信号；所述微波信号发生装置用于产生调制信号和高频微波信号；所述脉冲信号发生器用于产生TTL信号对激光脉冲发生装置和微波信号发生装置进行控制；所述荧光探测装置用于对金刚石产生的荧光进行分析；所述扫描装置用于对待测器件进行扫描。

技术领域

本发明属于磁场测量技术领域，具体是一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法。

背景技术

研究和发展高灵敏度，高分辨率的磁场成像技术，从直流到微波的频率范围一直处于研究的前沿。磁共振成像，单电子和核自旋的感应，超导体涡旋成像，以及磁性薄膜中的拓扑结构成像等技术已经得到发展与应用。宏观上，现已商业化的碱蒸气原子磁力计可以实现超高灵敏度和精度的地磁测量，灵敏度可以达到sub-pT/√Hz。人类神经活动的磁信号是毫微微特斯拉级的弱信号，在磁共振成像中，超导量子干涉仪主要用于检测这种弱场强，在不久的将来该技术方法或会被碱蒸汽原子磁力计取代。然而，在相关应用中，对磁场分布的空间分辨率要求越来越高，一般设计将磁传感器放置在微小磁结构中。随着金刚石量子传感器的发展，分子或细胞水平的核磁共振有望实现。

NV色心由一个替位的氮原子和一个邻位的空穴组成，是金刚石中一种发光点缺陷。NV色心在激光泵浦下发出强烈而稳定的荧光。在室温下，NV色心具有两种可能的电荷态，即中性NV⁰或带负电的NV^-。两种NV色心的荧光光谱是不同的，通过选择合适的滤光片，可以容易地区分它们。NV色心的结构具有C_3v对称性，其两个不成对电子态在基态(³A₂)和激发态(³E)是自旋三重态(S＝1)，其自旋能级有m_s＝0，±1。基态与激发态之间有1.945eV的能量间隔，对应NV色心的零声子线(ZPL)跃迁。

由光学激发造成的电子自旋极化，其解释如下：电子从基态跃迁到激发态，激发态中电子通过自发辐射返回到基态相对应的电子态，并发出荧光。在这个过程中，激发态m_s＝0发生辐射跃迁，回到m_s＝0态。但由于中间态(亚稳态(¹A))的存在，m_s＝±1态的部分电子发生自旋翻转，只有部分电子通过辐射跃迁回到了基态的m_s＝±1态，而另一部分则通过中间态无辐射跃迁回了m_s＝0态。在不断重复的光学激发下，基态自旋三重态最终被极化为m_s＝0态，m_s＝±1态的荧光强度比m_s＝0态的荧光强度小约30％。

由于自旋相互作用，在室温下NV色心的基态在m_s＝0和m_s＝±1态之间具有2.87GHz的零场分裂。当施加外部磁场时，通过塞曼效应提升m_s＝±1自旋态的简并性。通过调整外部磁场和四个晶体NV轴的相对取向，可以通过光学检测磁共振(ODMR)技术观察到基态中的总共八个微波偶极跃迁。m_s＝0态和m_s＝+1态或m_s＝-1态之间的跃迁是磁偶极子跃迁，构成了一个量子二能级体系，共振微波磁场在布洛赫球面上驱动闭环Rabi循环。