[發明專利]一種三維掃描的自旋濃度測量系統及測量方法

有效

• 申請號: 201711140565.X
• 申請日: 2017-11-16
• 公開（公告）號: CN107831153B
• 公開（公告）日: 2023-08-29
• 發明（設計）人: 馬宗敏;劉俊;魏久焱;唐軍;曲章;傅月平;趙娟
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

一種三維掃描的自旋濃度測量系統，主要由激光聚焦調節系統、熒光采集系統和金剛石位移臺。由激光通過共聚焦系統配合激光聚焦調節系統實現在網格化的金剛石上定點測量及聚焦深度的調節，其中聚焦壓電組實現共聚焦系統聚焦深度調節，其主要由扭動壓電組和伸縮壓電組以間隔穿插的方式組成，通過運動配合來實現凸透鏡的聚焦深度調節；金剛石由激發所產生的熒光通過PD采集后經數據采集卡傳入計算機；金剛石固定于金剛石位移臺，金剛石位移臺實現nm尺度平面移動。測量系統將金剛石分為m層，每層分為nxn個矩陣網格，激光聚焦于nxnxm個網格內進行NV激發并采集熒光，計算每個格點的濃度實現三維濃度的掃描。

技術領域

本發明屬于量子精密測量領域，尤其涉及金剛石NV^-自旋濃度測量方法，具體為一種三維掃描的自旋濃度測量系統及測量方法。

背景技術

隨著科技的不斷前進，精密磁測量已經成為了現階段的一個研究熱點。為了得到更高靈敏度的磁信息，我們需要對各個可以實現磁信息測量的工具進行研究、對比，以得到最優化的精密測量工具并應用于各研究領域中。而現階段，為了得到高靈敏度的磁信息檢測，研究者們已經將重心轉移到了利用電子自旋進行的磁信息檢測的研究和控制。目前針對各種類型精密磁信息測量系統中存在的使用環境要求高，系統穩定性不高等問題，開展了利用金剛石NV色心電子自旋進行磁信息測量的基礎研究，期望為未來的基于NV色心電子自旋的高靈敏度原子磁強計的應用奠定基礎。目前金剛石NV色心電子自旋的產生基礎是制備含有NV色心的金剛石，目前的研究NV色心的電子自旋主要有單NV色心電子自旋和集群NV色心，現已有對于單個NV色心的熒光采集測量手段，但對于集群NV色心的金剛石在NV濃度的測量與表征方面仍是一片空白，是急需進行要就并提出一種可靠測量方法的領域，這將會對實現基于NV色心的高靈敏度磁強計以及基于NV色心的研究具有深遠的影響和重大的意義。

目前針對于金剛石NV色心的濃度采集多采用532nm的激光進行激發，并采集其由電子躍遷后產生的熒光并使用共聚焦顯微成像觀察，依次對整體的NV色心的濃度進行估算，但無法對金剛石進行三維掃描得到每一個面乃至每一層每一點的NV熒光強度，并根據單個NV對應的熒光強度計算出三維NV濃度矩陣。

發明內容

本發明的目的是從三維層面實現對金剛石整體及局部的自旋濃度測量，需要實現nm尺度的聚焦激光光斑大小，nm尺度精度mm尺度行程的激光聚焦調節系統；另一方面，在測量金剛石對金剛石某一待測量層進行網格劃分時需要nm尺度的步進精度，行程也需要達到mm尺度，為此提出了兩種由壓電陶瓷組成的高精度驅動裝置，分別為聚焦壓電組與金剛石位移臺。并開創性的提出了對于金剛石三維立體自旋濃度測量的方法，區別于傳統的整體自旋濃度的測量，可以做到精準定位，精確測量乃至可以對金剛石三維層面上進行濃度測量和表征。

本發明所實現的NV^-濃度測量，采用的是激光共聚焦技術，將實驗樣片金剛石放置于金剛石位移臺上，根據樣品的尺寸和實驗的要求，對金剛石進行三維網格劃分，以進行后續實驗，采用光學元件對激光進行多次聚焦等手段將nm尺度的激光焦點照射于金剛石的格點中。

本發明為實現高精度的激光聚焦調節系統，巧妙的設計了間隔式組合壓電片組，通過間隔穿插安置的扭動壓電組和伸縮壓電組配合驅動來實現凸透鏡的高精度移動，以此來實現對金剛石不同深度的自旋濃度測量，達到三維掃描的效果。為實現金剛石在平面內的高精度移動而提出的金剛石位移平臺通過放置于其下部四個角點的四個壓電驅動座進行驅動，壓電驅動座由固定于底部固定座內壁的五個扭擺壓電組直接驅動間接驅動球來對載物臺進行驅動。通過激光聚焦調節系統實現對不同深度的自旋濃度測量，配合在平面內達到nm運動精度的金剛石位移平臺進行每一深度面的矩陣網格劃分，并對每個網格點進行濃度測量，并依次得到整體三維掃描濃度數據，此數據為三維矩陣，并根據單個NV色心熒光強度的比例，得到金剛石三維濃度數據。

為了達到上述目的，本發明實現目的所采用的技術方案是：

一種三維掃描的自旋濃度測量系統，包括激光聚焦調節系統、熒光采集系統和金剛石位移臺；