[发明专利]一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置

说明书

本发明公开了一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，包括：微波发生器、微波开关(含负载)、倍频放大装置组、PCB板(含样品材料)、电磁铁、共聚焦光路装置组、单光子探测器、数据采集卡、计算机(含时序卡)。通过微波发生器、微波开关和倍频放大装置组提供微波序列，通过共聚焦光路装置组提供泵浦光并收集荧光信号，荧光信号依次进入单光子探测器、数据采集卡、计算机，从而实现样品材料的ODMR信号探测。目前市面上微波发生器的输出频率以及微波开关的工作频率与工作模式无法满足宽频段ODMR信号探测的需求，本发明基于倍频放大装置组，可实现500MHz‑10GHz的宽频ODMR信号探测，具有可探测ODMR信号频率范围大、材料种类多、适用性广、可扩展性强等特点。

技术领域

本发明涉及量子光学领域，具体涉及一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其为利用倍频技术实现的、具有宽频段性的、可探测材料种类多的ODMR(光学探测磁共振)信号探测技术。

背景技术

ODMR指光学探测磁共振(Optically Detected Magnetic Resonance)，基本原理是通过探测微波信号与样品材料劈裂能级共振时的样品荧光强弱变化程度，从而探测荧光色心的自旋能级结构。下面先以被研究最多的金刚石NV色心为例来进一步说明。

图2为金刚石NV色心的ODMR原理图(Eur.Phys.J.D(2015)69:166.)。如图2-b和图2-c，NV色心存在两个自旋三重态能级，分别为基态F和激发态E，每个能级又根据电子自旋分裂为m_s＝0和m_s＝±1两个能级，其中m_s＝±1在无磁场时为简并能级，但在有外磁场作用下会产生塞曼效应从而能级劈裂为m_s＝+1和m_s＝-1两个能级。这里所说的外磁场可能来自于实验者主动所加的磁场，也可能来自地磁场等外界噪声，因此m_s＝±1一般而言都会产生小的劈裂，而这一劈裂在主动外加磁场下变得更加明显。另外值得强调的一点是，如图2-a所示，能产生塞曼劈裂的磁场是平行于N-V轴的磁场分量。

当给NV色心加一泵浦光(532nm)时，载流子从基态的m_s＝0激发到某一高能级态(绿色箭头)，进而无辐射跃迁回激发态的m_s＝0(黑色箭头)，接着跃迁回基态m_s＝0并发出荧光(红色箭头)。同样地，对于激发态m_s＝±1和基态m_s＝±1之间也有类似的循环，不过由于NV色心还存在一个亚稳态M，而m_s＝±1能级与亚稳态M有着比m_s＝0与亚稳态M更强的耦合作用，所以当载流子处于激发态m_s＝±1时，有着较大概率进行无辐射跃迁到亚稳态M(黑色箭头)，从而减少了m_s＝±1循环的荧光发光强度。因此m_s＝±1循环的荧光发光强度要比m_s＝0循环弱很多，这样当给NV色心加一频率为v₀＝2.88GHz的微波使基态m_s＝0和基态m_s＝±1产生共振，从而使m_s＝0和m_s＝±1的载流子布居数出现变化，也就改变了m_s＝0和m_s＝±1循环的载流子数目，从而整体发出的荧光强度也会出现变化。

不过当考虑到加上外磁场后，m_s＝±1能级产生劈裂，共振微波频率不再是2.88GHz，而变成与外磁场大小有关的以2.88GHz为中心值的两个共振频率。例如NV色心塞曼劈裂约为28MHz/mT，所以外磁场的N-V平行分量为10mT时ODMR共振频率为2.88GHz±0.28GHz即2.60GHz和3.16GHz。实验中改变输入微波信号的频率大小，探测样品材料发出的荧光强度是否出现了变化从而判断是否产生共振，再根据共振频率的大小推算出外磁场大小，这就是光学探测磁共振。

下面再讨论六方氮化硼(hBN)的ODMR。