[發明專利]一種基于腔共振和磁聚集結構的原子磁顯微方法

有效

• 申請號: 201710350444.1
• 申請日: 2017-05-18
• 公開（公告）號: CN107064826B
• 公開（公告）日: 2019-11-08
• 發明（設計）人: 董海峰;高陽;王笑菲;尹凌霄
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R33/028
• 分類號: G01R33/028
• 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;顧煒

本發明公開了一種基于腔共振和磁聚集結構的原子磁顯微方法，利用“腔共振短脈沖測量”方法和“MEMS磁聚集結構”來分別提高原子磁顯微磁場的空間分辨率和磁場靈敏度，“腔共振短脈沖測量”方法是將原子氣室放置于由脈沖抽運光組成的共振腔中，通過共振腔進行抽運光的放大，縮短脈沖抽運光的極化率建立時間。另外該方法中，磁場的空間變化會通過“磁場變化?失諧?極化率下降?失諧增加”的機制非線性放大，從而大幅增加信號的對比度。“MEMS磁聚集結構”是利用MEMS工藝制備帶有磁聚集結構的原子側壁，在通過厭氧箱內的氣氛注入和鍵合工藝制備出所需的原子氣室。其目的是將位于原子氣室表面的待測樣品所產生的磁場導入氣室內部，并通過磁聚集結構實現磁場的放大。

技術領域

本發明涉及一種基于腔共振和磁聚集結構的原子磁顯微技術，屬于原子磁強計技術領域。

背景技術

磁顯微是對磁場分布的精細測量。通過磁顯微觀測，可以對磁性蛋白的生長發育過程進行表征，也可以進行材料的微弱磁分布測量和集成電路非破壞診斷等。

在磁顯微測量中，其主要的技術指標為空間分辨率和磁場靈敏度。常見的磁顯微技術有氮空位色心(NV色心)、玻色愛因斯坦凝聚(BEC)、超導量子干涉技術(SQUID)以及原子磁強計技術(AM)。NV色心磁顯微空間分辨率較高，不需要掃描，可以實現直接成像。BEC方法有可能突破量子極限，實現壓縮態測量。SQUID技術空間分辨率和磁場靈敏度可調范圍大，觀測尺度從幾十nm到mm量級，磁場靈敏度從幾十nT/Hz^1/2到pT/Hz^1/2量級。但是BEC和SQUID都需要工作在低溫環境下，這局限了它們的應用范圍。AM技術目前具有最高的磁場靈敏度，但是傳統的原子磁強計空間分辨率不高，無法應用于微米量級的測量。

針對這一問題，在發明專利201510761109.1中利用短脈沖光進行抽運和檢測可以有效提高磁顯微的分辨率。但是在后續的工作中發現短脈沖磁顯微有以下兩個問題：1、在短脈沖磁顯微中，極化率建立時間在脈沖周期中占了較大比例；2、由于原子氣室側壁存在一定的厚度，導致待測樣品和敏感原子之間存在一定距離，進而使樣品磁場產生衰減，降低了磁場靈敏度。因此如何去解決短脈沖磁顯微中極化率建立時間占脈沖周期較大比例，以及樣品磁場的衰減這兩個問題成為了獲得高磁場空間分辨率和高磁場靈敏度磁顯微的關鍵。

發明內容

本發明要解決技術問題為：1、在短脈沖磁顯微中，極化率建立時間在脈沖周期中占了較大比例；2、由于原子氣室側壁存在一定的厚度，導致待測樣品和敏感原子之間存在一定距離，進而使樣品磁場產生衰減，降低了磁場靈敏度。本發明克服現有技術的不足，提供一種磁顯微成像方法及裝置及裝置。通過“腔共振短脈沖測量”方法的設計和實驗，得到提高原子磁測量空間分辨率的新方法。通過“MEMS磁聚集結構”原子氣室的工藝設計和流片，實現樣品磁場的聚集和放大，得到消除樣品磁場氣室側壁衰減，提高磁場靈敏度的新方法。

本發明解決上述技術問題采用的技術方案為：一種基于腔共振和磁聚集結構的原子磁顯微方法，該方法利用的裝置包括短脈沖激光器、光隔離器、準直透鏡、寬帶分光棱鏡、格蘭泰勒棱鏡、四分之一波片、凹面反射鏡、環形壓電陶瓷、磁屏蔽桶、磁聚集原子氣室、z方向磁場線圈、y方向磁場線圈和CCD探測器，該方法實現過程為：從短脈沖激光器發出的脈沖激光順序經過光隔離器、準直透鏡、寬帶分光棱鏡、格蘭泰勒棱鏡和四分之一波片變成圓偏振光進入磁屏蔽桶內，磁聚集原子氣室放置于磁屏蔽桶的中心位置，在磁聚集原子氣室的前端粘接凹面反射鏡和環形壓電陶瓷，凹面反射鏡和磁聚集原子氣室的氣室內壁組成一個諧振腔，通過環形壓電陶瓷可以精確調節諧振腔的腔長，在滿足諧振的情況下，腔內光子數會快速增加，從而大幅縮短極化率建立時間，提高信號的對比度，磁場線圈用來產生y方向的磁場來提高信號，獲得最大的信噪比，待測磁場通過磁聚集結構陣列將磁場導入到磁聚集原子氣室內部，改變已被極化的堿金屬原子的進動快慢和進動方向，進而改變激光橫向截面的光強分布，最后通過CCD探測器來檢測出激光光強的空間分布，從而計算出待測磁場的大小。