[發明專利]一種色心金剛石陀螺

有效

• 申請號: 201310565956.1
• 申請日: 2013-11-13
• 公開（公告）號: CN103557855A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 房建成;張晨;張寧;袁珩
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C19/58
• 分類號: G01C19/58
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;李新華

1.一種色心金剛石陀螺，其特征在于：分為樣品腔（17）、激光腔（18）和探測腔（19）三個部分；其中：

所述的樣品腔（17）中包括高濃度氮原子-空位(NV^-)色心金剛石材料（1）作為核心敏感元件，材料中NV^-色心濃度達10¹⁸/cm³以上，厚度大于150μm，尺寸大于1×1mm²，粘接于玻璃基底（2）上，其位置位于第一RF線圈（3）和微波天線（9）的中心處，RF線圈是由第一RF線圈（3）和微波天線（9）兩個線圈組成的赫姆赫茲線圈，玻璃基底（2）粘接于鏡面（4）上，后者鍍多層介質膜用以反射637nm波長的熒光，包括4塊高靈敏面陣CCD（5、6、7、8）用于檢測637nm熒光，每一塊面陣CCD前均粘接一塊濾波片，該濾波片可透過637nm熒光，截止波長大于532nm，第一RF線圈（3）粘接與鏡面（4）的內表面，而第二RF線圈（10）粘接于一塊平凸透鏡（11）的表面，該透鏡的焦點聚焦于色心金剛石材料（1）放置位置中心略靠后的位置，使532nm激光會聚照射在色心金剛石材料（1）中心處1mm直徑的圓上，色心金剛石材料（1）的周圍為由直徑20μm銅線組成的微波天線（9），微波天線（9）加工于玻璃基底（2）上，微波天線（9）的底部為正方形，在色心金剛石材料（1）中間區域處產生均勻的微波場；

所述的激光腔（18）包括一個垂直腔面發射半導體激光器即VCSEL激光器（13），發出的532nm激光通過底面的偏振窗口(20)入射至腔內的二向色鏡（12）上，偏振窗口（20）內嵌一個偏振鏡；二向色鏡（12）呈45度放置粘接于激光腔（18）內，532nm激光入射后反射至樣品腔（17）中，從樣品腔（17）中發出的熒光入射到二向色鏡（12）后投射進入探測腔（19）中；

所述的探測腔（19）包括濾波片（14），會聚透鏡（15）和第五高靈敏面陣CCD（16），濾波片截止波長大于532nm可阻斷532nm光同時透過637nm光；會聚透鏡（15）將637nm熒光會聚于焦面，即第五高靈敏面陣CCD（16）所在位置處，第五高靈敏面陣CCD（16）在637nm附近具有響應峰值。

2.根據權利要求1所述的色心金剛石陀螺，其特征在于利用VCSEL激光器（13）的偏振特性實現激光的快速開關，根據激光時序調整輸入VCSEL激光器（13）的輸入電流，使其輸出激光的偏振方向發生變化，從而使得通過偏振窗口（20）的激光強度發生變化，實現激光脈沖時序的產生。

3.根據權利要求1所述的色心金剛石陀螺，其特征在于，使用時按照以下時序完成一次角速度的測量：

（1）、初始化階段：啟動電源，輸出一個激光脈沖初始化NV^-色心電子自旋；通過微波天線（9）輸入一個微波脈沖初始化NV^-色心氮原子核自旋，微波頻率約等于2.87GHz，脈沖時間t_pol=1.5μs；再次輸入一個激光脈沖重新初始化NV^-色心電子自旋；

（2）、測量階段：輸入射頻磁場脈沖，脈沖頻率4.95MHz，脈沖時長為半個核自旋的拉比振蕩周期即π脈沖；讓體系自由演化t_m時間，t_m小于NV^-色心氮原子核自旋的橫向弛豫時間T₂；再輸入一個時長為π射頻磁場脈沖；

（3）、讀出階段：輸入微波脈沖，脈沖時長為半個NV^-色心電子自旋的拉比振蕩周期即π脈沖；第一個脈沖后間隔時間t_i=1/2A再輸入一個π脈沖，A為電子自旋與核自旋的耦合系數，為2.2MHz；輸入微波脈沖后輸入一個激光脈沖進行電子自旋的檢測，讀出信號。