[發(fā)明專利]固態(tài)原子自旋傳感器無磁溫控系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710367588.8
• 申請(qǐng)日: 2017-05-23
• 公開（公告）號(hào): CN107256047B
• 公開（公告）日: 2019-01-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉俊;郭浩;唐軍;趙銳;劉文耀;高研杰;馬宗敏;朱強(qiáng);趙彬彬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號(hào): G05D23/20
• 分類號(hào): G05D23/20
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

本發(fā)明涉及量子傳感領(lǐng)域，具體是一種固態(tài)原子自旋傳感器無磁溫控系統(tǒng)，包括金剛石襯底，所述金剛石襯底上加工有金剛石NV色心波導(dǎo)（4），所述金剛石襯底上設(shè)有覆蓋金剛石NV色心波導(dǎo)（4）的多孔磁性PDMS薄膜（3），所述金剛石襯底下表面兩側(cè)加工有微帶天線陣列（2），所述微帶天線陣列（2）連接有微波源。本發(fā)明利用MPCVD磁、電約束方法制備了濃度大于10¹⁸cm^?1的氮元素?fù)诫s金剛石結(jié)構(gòu)，利用微納加工工藝方法制備了金剛石色心結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了NV色心結(jié)構(gòu)的激發(fā)和熒光收集，同時(shí)結(jié)合電子束加工方法實(shí)現(xiàn)了微波天線的共面制造，并通過時(shí)序操控方法進(jìn)行磁場(chǎng)變化信號(hào)高信噪比檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)制磁場(chǎng)作用，進(jìn)行磁噪聲有效抑制，達(dá)到無磁溫控目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子傳感領(lǐng)域，具體是一種基于金剛石氮空位色心的無磁溫控系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來，隨著原子物理、量子物理技術(shù)的不斷發(fā)展，精密物理測(cè)量技術(shù)不斷傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)極限，基于原子能級(jí)磁場(chǎng)作用下的拉莫爾進(jìn)動(dòng)磁共振效應(yīng)，使得物理量測(cè)量逐漸逼近理論極限水平，然而原子、量子的基本結(jié)構(gòu)單元在低溫環(huán)境下才能表現(xiàn)出超高的信噪比，隨著溫度的上升，電子、光子等結(jié)構(gòu)變得活躍，導(dǎo)致物理測(cè)量信噪比嚴(yán)重下降，同時(shí)針對(duì)熱原子技術(shù)的原子干涉、原子自旋的物理量測(cè)量技術(shù)也亟需極其穩(wěn)定的溫度環(huán)境來實(shí)現(xiàn)原子的高信噪比檢測(cè)。

然而常規(guī)的溫控技術(shù)多采用電加熱、激光加熱等技術(shù)，溫控過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的磁噪聲，必然會(huì)引起原子能級(jí)的二階塞曼效應(yīng)，引入相位噪聲，同時(shí)引起基于原子干涉效應(yīng)測(cè)量機(jī)理原子相干性波動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)試靈敏度下降，因此，針對(duì)量子技術(shù)的超高精度物理測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展需求，亟需無磁溫度技術(shù)來不斷提高量子技術(shù)對(duì)物理量測(cè)量的能力。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是利用基于室溫單自旋磁控技術(shù)，提出一種基于多孔共聚物、金剛石色心、平面微波天線的金剛石色心溫度監(jiān)測(cè)和磁補(bǔ)償系統(tǒng)。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種固態(tài)原子自旋傳感器無磁溫控系統(tǒng)，包括金剛石襯底，所述金剛石襯底上加工有金剛石NV色心波導(dǎo)，所述金剛石襯底上設(shè)有覆蓋金剛石NV色心波導(dǎo)的多孔磁性PDMS薄膜，所述金剛石襯底下表面兩側(cè)加工有微帶天線陣列，所述微帶天線陣列連接有微波源；所述金剛石襯底下方設(shè)有物鏡，所述物鏡下方設(shè)有分光鏡，所述分光鏡下方設(shè)有長波通濾波片，所述長波通濾波片下方設(shè)有光電二極管；所述分光鏡接收來自于激光器發(fā)出的脈沖激光通過物鏡射向金剛石上的NV色心波導(dǎo)。

無磁溫控原理：利用納米磁結(jié)構(gòu)復(fù)合的多孔共聚物結(jié)構(gòu)在溫度變化過程中磁場(chǎng)隨之變化特性，通過設(shè)置溫度調(diào)控磁場(chǎng)系數(shù)，抵消由于恒溫系統(tǒng)控制過程中的磁噪聲，來抑制溫控過程中的磁噪聲。

工作時(shí)，通過分光鏡將激光器打出的激光脈沖經(jīng)物鏡聚光射向金剛石氮空位色心，激光經(jīng)NV色心的電子從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)。微帶天線陣列通過微波源產(chǎn)生微波使金剛石NV色心感受到多孔磁性PDMS薄膜的磁場(chǎng)變化發(fā)出不同的熒光，通過分光鏡和長波通濾波片將收激發(fā)產(chǎn)生的熒光送入光電二極管，光電二極管收集經(jīng)過長波通濾波片濾光的熒光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，將電信號(hào)傳輸濕度顯示裝置。對(duì)于NV色心，在只有外加微波而沒有外加磁場(chǎng)時(shí)，只有1個(gè)熒光強(qiáng)度峰值，外加磁場(chǎng)后，由于塞曼效應(yīng)和電子自旋，NV色心的能級(jí)會(huì)發(fā)生分裂，從而出現(xiàn)2個(gè)熒光強(qiáng)度峰值，而且兩個(gè)熒光強(qiáng)度的峰值所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)微波頻率的差值與磁場(chǎng)強(qiáng)度有著一定的線性關(guān)系，通過測(cè)量兩個(gè)熒光強(qiáng)度峰值之間的微波頻率差就可以得到外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，外加磁場(chǎng)強(qiáng)度由多孔磁性PDMS薄膜感受外界溫度后提供。

激光器發(fā)出532nm激光，具體溫度讀取方法如下：