[發明專利]一種提高金剛石NV色心光子產生和收集效率的方法

在審

• 申請號: 201710844947.4
• 申請日: 2017-09-19
• 公開（公告）號: CN107394573A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 陳冰;徐南陽;宋雨萌;田宇
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H01S3/067
• 分類號: H01S3/067;H01S3/094
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司34101
• 代理人: 喬恒婷

技術領域

本發明涉及一種提高金剛石NV色心光子產生和收集效率的方法，本方法具有幾乎100％的收集效率，此外還具有輸出穩定、結構簡單緊湊、易于集成等優點。

背景技術

NV色心是金剛石晶體中的一種發光點缺陷，一個氮原子取代金剛石中的碳原子，并且在臨近位有一個空穴，這樣的點缺陷被稱為NV色心。金剛石NV色心是一個非常重要的物理系統，特別是對于量子技術(包括量子度量學、量子信息過程、量子通訊等)和生物成像等領域有廣泛的應用。考慮到金剛石NV色心在這些方面的應用前景，對它的研究一直是物理學研究的熱點問題。但是通常情況下，塊狀金剛石內部的NV色心發出的光子只有很少部分能在金剛石表面發生折射被物鏡收集，大部分都在金剛石表面發生全反射，因此只有很少一部分被收集和利用。通常情況下，塊狀的金剛石材料中的NV色心發出的光子可以利用高數值孔徑的顯微鏡物鏡來收集。但是塊狀金剛石內部的NV色心發出的光子只有很少一部分能在金剛石表面發生折射被物鏡收集，大部分都在金剛石表面發生全反射，不能被物鏡收集，導致金剛石NV色心發出的光子的收集效率≤10％(利用最大數值孔徑1.49的物鏡)，同時考慮到探測器的耦合和量子效率，光子的探測效率<2％。低的光子收集效率嚴重的限制了金剛石NV色心在量子信息和量子物理領域的應用。

為了提高光子的收集效率，傳統的方法是利用離子束刻蝕等手段在塊狀金剛石表面刻蝕出透鏡的形狀，或者利用現代微納技術產生一些特殊的微納結構等手段，但是這些方法的實現裝置非常的復雜，對實驗要求非常的高。最近一段時間也有些研究小組報導利用側面收集技術(side-collection technique)來提高光子收集效率，這個方案利用了四個光電探測器從金剛石樣品的四周收集NV色心發射出來的光子，收集效率達到了47％，但是這個方法收集的效率仍然較低，還有較大的提升空間，并且為了提高光子收集效率需要使用四個光電探測器。

發明內容

為了避免上述現有技術所存在的不足之處，本發明旨在提供一種提高金剛石NV色心光子產生和收集效率的方法，以克服傳統的金剛石NV色心發光收集效率極低這個NV色心應用過程中致命的缺點。

本發明提高金剛石NV色心光子產生和收集效率的方法，是利用金剛石納米顆粒中的NV色心作為發光介質，將納米金剛石顆粒束縛在空心光纖中，并結合反饋技術，利用532nm激光實現對NV色心的激發，并且可以實現很高的光子收集效率。

本發明提高金剛石NV色心光子產生和收集效率的方法，包括如下步驟：

1、將納米金剛石顆粒和光學膠(可以根據所需的激光功率強度調節光學膠中金剛石顆粒的百分比)混合均勻后注入到空心光纖中，固化后獲得光纖增益介質；

所述納米金剛石顆粒為電子級的10nm或20nm金剛石納米顆粒。

2、將532nm激發光入射到光纖增益介質中激發其中的金剛石NV色心，532nm激發光和產生的光子從光纖前向傳輸出去，利用反射鏡將前向傳輸出的532nm激發光和光子反射回光纖中，532nm激發光再一次和金剛石NV色心相互作用，產生的光子以及反射回的光子從光纖后向傳輸出去，經過雙色鏡發射到濾波器中，經過濾波器的光子被光電探測器收集。

步驟2中，532nm激發光入射到光纖中之前需要兩次通過聲光調制器來實現光學脈沖，兩次通過聲光調制器(消光比為10⁶/1)較單次通過聲光調制器(消光比為10³/1)具有更高的消光比，隨后將經過兩次聲光調制器的532nm激發光注入到光纖中激發金剛石NV色心。

后向傳輸的光子可以直接被收集，而前向傳輸的光子通過反射鏡反饋回光纖中，這樣前向的光子也會被收集。本光纖光源基于上述機制，可以實現近乎100％的光子收集效率。

本發明將納米金剛石顆粒注入空心光纖中，金剛石NV色心發出的光子會在光纖中發生全發射，沿著光纖傳輸，不會從光纖中泄露出去，從光纖端口輸出的光子都可以被收集，金剛石色心發出的光子幾乎可以完全被收集。另外利用光學反饋機制可以將532nm激光和金剛石NV色心之間的耦合強度增加至原來的2倍，可以降低532nm激發光的強度，實現更高的光子轉化效率。