[发明专利]激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统与方法

说明书

本发明涉及激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统与方法，在金刚石NV色心的荧光激发与检测系统的主光束中分出一束光，使用声光调制器和比例‑积分‑微分控制器构成闭环反馈系统，实现激光器功率稳定。本系统由激光器、偏振分光棱镜、声光调制器、光电探测器、比例‑积分‑微分控制器、信号发生器和金刚石NV色心的荧光激发与检测系统组成，避免在金刚石NV色心的荧光激发与检测系统的主光路中引入复杂光路，设备原理简单，体积小，光路稳定性高，系统噪声低，受实验环境影响小，调节操作简单，大幅提升金刚石NV色心的激光激发与荧光检测系统的激光稳定性，进而提升NV色心系综传感测量装置的灵敏度，且有助于装置实现小型化。

技术领域

本发明涉及激光功率稳定技术领域，特别涉及激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统与方法。

背景技术

固体激光器是金刚石NV 色心系综传感测量研究装置中激光激发与荧光检测系统的关键器件。固体激光器功率的稳定性是固体激光器性能的重要指标。固体激光器中的工作物质即光学晶体在工作时容易产生热沉积从而引起自身温度变化，进而导致激光器输出激光的频率、功率产生漂移，严重影响激光器的功率的稳定性，目前科研用固体激光器的输出功率稳定性通常在 1%~5%/h左右，毫瓦级的激光功率波动不能满足金刚石NV 色心系综传感测量激光低噪声的需求；此外激光器工作时，由于温度及机械因素的影响，激光器输出光束的方向会产生一定程度漂移，从而影响荧光激发效率，所以提高固体激光器功率和指向的稳定性是亟待解决的一个问题，对于提高金刚石NV色心激光激发与荧光检测系统的性能和可靠性具有重要意义。

常用的固体激光器功率稳定技术主要分为被动式和主动式两种，被动式通过电流调整、腔内空气隔离、改变腔长和频率稳定等方法稳定激光器本身，可将激光器输出功率控制在1%附近，对功率稳定的精度难以满足科研需求，且操作复杂，成本高，难以用于成品激光器。主动式通过光反馈的方法直接对激光输出光束进行调制，以抵消激光束功率的无规律起伏，光的输出功率可控制在10-4量级，该方法通常通过外接调制器件实现闭环反馈，很难同时满足体积小、工作电压低、光束指向性好的条件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统与方法，以克服现有技术中的不足。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种激光功率稳定型金刚石NV色心荧光激发与检测系统，包括激光器、激光功率稳定单元、脉冲调制单元和金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元；

所述金刚石NV色心激光激发与荧光检测单元包括二向色镜、变焦物镜、金刚石样品、滤光片和第二光电探测器；

所述激光器产生的激光经激光功率稳定单元进行功率稳定后，再经脉冲调制单元实现激光的脉冲控制；经过功率稳定和脉冲控制的激光通过二向色镜反射至变焦物镜，经过变焦物镜聚焦至金刚石样品上，所述金刚石样品的NV色心电子自旋系综经过激光激发后发出荧光，所述荧光依次经过变焦物镜、二向色镜、滤光片至第二光电探测器。

作为优选，所述激光功率稳定单元包括光电隔离器、1/2波片、偏振分光棱镜、第一声光调制器、第一孔径光阑、1/4波片、第一平凸透镜、第一反射镜、第二孔径光阑、分束镜、第二平凸透镜、第一光电探测器、比例-积分-微分控制器、第一声光调制器驱动器和信号发生器；

所述激光器产生的激光进入激光功率稳定单元后，依次经过光电隔离器、1/2波片、偏振分光棱镜得到第一透射光和第一反射光，所述第一透射光经过第一声光调制器后发生衍射，得到0级和1级衍射光，所述0级衍射光被第一孔径光阑阻挡，所述1级衍射光经过第一孔径光阑、1/4波片、第一平凸透镜至第一反射镜后沿原路返回，依次经过第一平凸透镜、1/4波片、第一孔径光阑后回到第一声光调制器进行二次调制，二次调制后的激光经过经过偏振分光棱镜得到第二透射光和第二反射光，所述第二反射光经过分束镜分束后得到第三透射光和第三反射光，所述第三透射光经第二平凸透镜会聚到第一光电探测器；所述第三反射光离开激光功率稳定单元进入脉冲调制单元；