[发明专利]一种基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器，包括同步信号发生器与同步谱分析器，其中同步信号发生器包括第一电源降压模块、低压差电压调节器、全差分放大器、模数转换器ADC；同步谱分析器包括第二电源降压模块、FPGA核心板、四路差分接收器。第一、第二电源降压模块分别提供5V和3.3V电压；低压差电压调节器提供1.8V和3.3V电压；全差分放大器将输入信号进行放大；模数转换器ADC进行数字采样；四路差分接收器用于电平转换和提供较强的电流驱动；FPGA核心板对采集的信号进行分析以及产生四路TTL信号。本发明采用基于FPGA的方式产生同步脉冲信号和同步谱分析，免于使用脉冲板卡，简化了量子光探测磁共振信号采集器的复杂性和设备体积，节省了成本。

技术领域

本发明涉及量子光探测和信号采集领域，特别是涉及一种基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器。

背景技术

NV色心是金刚石中由替换碳原子的氮原子(Nitrogen)与其相邻空位(Vacancy)构成的一种具有荧光特性的缺陷，能够感知芯片表面的磁场强弱，提供高达纳米级的分辨率，具有体积小、退相干时间长等特点。它具有两个特征明确的充电状态：中性(NV0)或带负电(NV-)。NV色心在正常环境下具有相对较长的自旋寿命，可以使用绿色激光将其偏振以及进行光学读取，并且可以通过由脉冲控制的微波场对自旋子能级进行操纵。NV色心的结构具有C3v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ms＝0，±1。在自旋守恒的激光激励下，激发态ms＝0自发地回到基态ms＝0，然而ms＝±1的状态有两条可能的衰变路径，其中一条是通过辐射跃迁到ms＝±1状态，或非辐射的通过系统间交叉效应到ms＝0状态。在后一种情况下有30％的概率，ms＝±1的激发态首先衰减为亚稳态的单重态，然后衰减为基态ms＝0。由于自旋相互作用，在室温下NV色心的基态在ms＝0和ms＝±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ms＝±1自旋态的简并性，表现在ODMR谱上为共振峰值距离被拉大。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。ms＝0态和ms＝+1态或ms＝-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。

以往的基于金刚石NV色心的微波场成像系统，多采用脉冲板卡，由电脑控制产生同步TTL脉冲序列；而对金刚石NV色心返回的红光，一般都是通过雪崩光电二极管(APD)采集，然后通过频谱分析仪或者锁相方式读出相应的频率值，最后通过将得到的值带入LABVIEW或者MATLAB等程序中进行后序的运算得出相应的光探测磁共振(ODMR)值，导致整个系统显得复杂与繁琐。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种系统复杂度低、便携性高的基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器。

技术方案：本发明所述的基于FPGA的量子光探测磁共振信号采集器，包括同步信号发生器与同步谱分析器；所述同步信号发生器包括第一电源降压模块、低压差电压调节器、全差分放大器、模数转换器ADC、FPGA核心板；所述同步谱分析器模块包括第二电源降压模块、FPGA核心板、四路差分接收器；其中，

所述第一电源降压模块分别与全差分放大器、低压差电压调节器、FPGA核心板、四路差分接收器相连接，用于提供5V电压；

所述第二电源降压模块用于向以太网口提供3.3V电压，所述以太网口通过网口转换与FPGA核心板进行数据通信；

所述低压差电压调节器与模数转换器ADC连接，用于提供1.8V和3.3V电压；

所述全差分放大器与模数转换器ADC连接，用于将输入信号进行放大；

所述模数转换器ADC与FPGA核心板连接，用于进行数字采样；