[發明專利]一種基于固態自旋的磁場測量裝置以及磁場測量方法

有效

• 申請號: 201810546040.4
• 申請日: 2018-05-25
• 公開（公告）號: CN109001652B
• 公開（公告）日: 2019-10-22
• 發明（設計）人: 代映秋;朱云彬;榮星;杜江峰
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京集佳知識產權代理有限公司 11227
• 代理人: 姚璐華;王寶筠

本發明公開了一種基于固態自旋的磁場測量裝置以及磁場測量方法，本發明技術方案中，磁敏感單元的電子在不同強度的外磁場作用下，電子能級之間的塞曼分裂不同，通過調控場以及調控激光對電子施加連續激發操控，可以使得體系的自旋達到平衡狀態，體系自旋布居度受外磁場影響。由此，可以得到強度隨體系自旋布居度變化的熒光信號，根據外磁場強度的不同，可以得到不同強度的熒光信號。本發明技術方案是在平衡態下進行測量，是一種穩態的測量，不受體系豫馳時間的限制，可以大幅度提高磁場測量時的頻率范圍，具有較高的動態范圍。

技術領域

本發明涉及磁場測量技術領域，更具體的說，涉及一種基于固態自旋的磁場測量裝置以及磁場測量方法。

背景技術

磁場測量廣泛應用于地球與空間物理、軍事技術、生物與醫學、工業等領域，發揮著重要的作用，成為當代不可或缺的測量手段。現階段用于磁場測量的傳感器類型較多，主要包括磁通門傳感器、探測線圈傳感器、霍爾傳感器、磁阻傳感器、巨磁阻抗磁傳感器、量子超導干涉儀(SQUID)以及基于固態自旋的磁傳感器等。

近年來，基于固態自旋的量子信息處理手段快速發展，帶來新的技術更新，推動了固態自旋傳感器技術的發展。其具有高空間分辨率和高靈敏度，加上良好的可擴展性和容易控制等優點，固態自旋體系成為人們研究的熱點。

電子具有自旋磁矩，在外磁場的作用下，電子的能級會發生分裂，一個能級將分裂為若干個磁次能級，稱作塞曼分裂。電子在不同的能級之間躍遷時，須遵守躍遷選擇定則，而這與兩個能級的各個量子數有關。所以電子在不同的能級之間能否躍遷，要取決于電子的自旋狀態。

現有的固態自旋磁傳感器測量磁場采用脈沖式測磁方式：當電子自旋處于疊加態時，外界磁場會使得不同的基矢上累加相對相位。因此，首先將體系制備到疊加態，然后使其在外磁場下自由演化或用激光或微波脈沖序列控制其演化，這時體系的疊加態會積累相對相位。最后將相對相位映射到布居度上，讀出信號，從而得到磁場的信息。

由于讀出的信號強度隨相對相位呈周期性變化，故只能在一定的相對相位范圍內進行測量，而相對相位受外磁場強度以及測量時間影響，測量時間受到體系弛豫時間的限制，所以可測的外磁場強度由于體系弛豫時間的限制無法達到較大的范圍，此測量方式的動態范圍較低。

此外，目前基于固態自旋的脈沖式磁傳感器主要有兩種測量模式：DC測量模式和AC測量模式，但是DC測量模式為時域上的信號測量，受到采樣率、系統信號轉換響應時間等限制，其具有頻率測量的上限(一般不超過100Hz)，即頻率不大于100Hz，同時，由于固態自旋的性質(例如體系的弛豫時間)等原因限制，AC測量模式具有頻率測量的下限(一般為kHz)，即頻率范圍不小于1KHz，所以兩種測量模式上下限之間頻率范圍(100Hz-1KHz)的磁場無法直接測得。

而由于現有測量模式無法測量的頻段范圍的磁場在地磁場測量以及生物磁場監測方面有重要的應用，因此，如何提供一種具有較寬頻率范圍的磁場測量裝置是磁場測量領域一個亟待解決的問題。

發明內容

為了解決上述問題，本發明技術方案提供了一種基于固態自旋的磁場測量裝置以及磁場測量方法，具有較寬的頻率測量范圍。

為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于固態自旋的磁場測量裝置，所述磁場測量裝置包括：

測量件，所述測量件包括基于固態自旋的磁敏感單元；

光源模塊，所述光源模塊用于出射照射所述測量件的調控激光；

調控模塊，所述調控模塊用于為所述測量件提供調控場；

靜磁場模塊，所述靜磁場模塊用于為所述測量件提供設定的靜磁場；