[发明专利]一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法及其实现装置

权利要求书

1.一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法，其特征在于，该极化方法包括：

(1)沿着Z轴方向对物镜进行μm量级粗略对焦，再从X和Y轴方向上对载有金刚石的微波天线进行μm量级粗调，从而使得激光光束聚焦在金刚石上；

(2)沿着Z轴方向上对载有金刚石的微波天线进行nm量级的精细调节，使得金刚石受激发出的荧光强度最强，从而确定微波天线在Z轴方向的位置；

(3)通过永磁体对金刚石施加磁场，初步确定永磁体的水平角度θ和垂直角度φ，使得永磁体在金刚石色心位置的磁场方向与NV轴平行；以金刚石所在光学平台为基准，当转动轴垂直光学平台时，绕此轴的转动角度为水平角度θ；当转动轴平行光学平台时，绕此轴的转动角度为垂直角度φ；

(4)从X、Y轴两个方向上对金刚石的微波天线进行nm量级的调节，使得金刚石受激发出的荧光强度最强，从而确定微波天线在X、Y轴方向的位置，最终使得激光光束准确聚焦在金刚石的NV色心上；

(5)根据需要施加磁场的大小，确定永磁体在Z轴方向的位置；再调节永磁体的横、纵坐标使得金刚石受激发出的荧光强度最强，确定永磁体在X、Y轴方向的位置，从而使得永磁体在色心位置的磁场方向与NV轴平行；

(6)调节施加在NV色心的微波频率，当光探测磁共振图像中|m_s＝0,m_I＝1能级状态的自旋极化率为超过95％，则认为实现了单NV色心中电子自旋和核自旋状态的极化。

2.根据权利要求1所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法，其特征在于，步骤(4)中，根据需要施加磁场的大小，确定永磁体在Z轴方向的位置，具体过程为：当永磁体位于Z轴方向的某一位置时，调节施加在NV色心上的微波频率，光探测磁共振图像中间谷对应的微波频率计算出磁场强度，具体为：磁场强度γ_e表示电子旋磁比，D表示零场劈裂,为中间谷的频率。

3.根据权利要求1所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法，其特征在于，在NV轴向施加440到1000高斯磁场，激光极化后，色心状态极化为|m_s＝0,m_I＝1。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置，其特征在于，该装置包括激光激发模块、二色向镜、金刚石扫描及物镜调焦模块、微波设备、静磁场模块和荧光收集模块；

激光激发模块包括依次设置的激光器、声光调制器和第一透镜组，声光调制器作为光开关控制激光的输出，再经过第一透镜组将声光调制器输出的激光整形为平行激光光束；

金刚石扫描及物镜调焦模块包括宽带反射镜、物镜、Z轴机械位移台、XY轴机械位移台和压电平台；XY轴机械位移台设置在Z轴机械位移台的上方，宽带反射镜和物镜沿着光路依次设置在Z轴机械位移台上，Z轴机械位移台用于在Z轴方向上对物镜进行μm量级对焦；压电平台设置在XY轴机械位移台上，压电平台用于固定载有金刚石的微波天线，并对载有金刚石的微波天线在X、Y、Z三个方向上进行nm量级的调节，准确定位金刚石色心；XY机械位移台用于对载有金刚石的微波天线在X、Y方向上进行μm量级调节；

微波设备用于向微波天线输入微波，对电子的自旋状态进行操控；

静磁场模块用于对金刚石施加磁场，通过调节磁场与NV轴之间的夹角，使得金刚石受激发输出的荧光强度最大；

荧光收集模块包括第二透镜组、第三透镜组、第一自由空间探测器、第二自由空间探测器和50:50BS分束器，经过50:50BS分束器的分束后，一部分荧光经过第二透镜组整形，出射到第一自由空间光电探测器；另一部分荧光经过第三透镜组整形，出射到荧光入射第二自由空间光电探测器；

激光激发模块发出的激光通过二色向镜的反射，再经过金刚石扫描及物镜调焦模块中宽带反射镜反射到物镜上，然后入射到载有金刚石的微波天线上，对金刚石进行激发，金刚石受激产生荧光，荧光再依次经过物镜、宽带反射镜、二色向镜入后，透射到荧光收集模块进行荧光收集。