[發明專利]一種基于徑向偏振光的金剛石矢量磁力計及其應用

在審

• 申請號: 202010161773.3
• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111175678A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 陳冰;葛菲菲;周飛飛;徐南陽
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01R33/12
• 分類號: G01R33/12
• 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: 何梅生

本發明公開了一種基于徑向偏振光的金剛石矢量磁力計及其應用，在恒定磁場中，利用徑向偏振光對金剛石樣品進行掃描，獲得金剛石樣品中的NV色心熒光成像，通過擬合NV色心熒光成像確定NV色心偏振激發的各向異性，由此確定金剛石樣品中的NV色心的軸朝向；再從NV色心中選擇三個不同軸朝向的NV色心進行脈沖光探測磁共振，根據脈沖光探測磁共振譜獲得恒定磁場的磁場強度，以及NV色心軸與所述恒定磁場之間的極角信息，最后利用三個不同軸朝向的NV色心建立一個線性無關的坐標系計算確定恒定磁場在實驗室坐標系中的方向。

技術領域

本發明涉及磁力計，更具體地說是一種用于對磁場強度和方向進行測量和重構的金剛石矢量磁力計。

背景技術

金剛石是一種面心立方的碳原子晶體，當金剛石晶格中的一個碳原子被一個氮原子替換，氮原子與其最鄰近的空位會形成一個NV色心，連接氮原子和空位的是NV色心軸,如圖4a、圖4b、圖4c和圖4d所示為不同朝向的NV色心軸，金剛石中存在四種可能的NV色心軸向，這四個方向上NV色心等概率隨機分布。

磁場作為一個矢量，對磁場強度和方向的精密測量在物理、化學、生物以及工業生產中都有著重要的意義。目前，超導量子干涉儀磁力計工作在苛刻的環境下，需要一整套非常龐大的低溫制冷裝置才能工作，整個裝置價格非常昂貴。原子磁力計雖然靈敏度較高，但是空間分辨率非常低，只有毫米量級的空間分辨率，而且因為原子磁力計的磁場傳感器是原子氣，探頭很難集成，而且很容易泄露和破碎。基于金剛石NV色心的磁力計相較于其它磁場測量系統，具備很多的優點：磁場測量精度高、測量空間分辨率高。目前已有的基于金剛石NV色心磁力計主要是測量磁場的強度大小，對磁場在實驗室空間的矢量方向是沒有方法絕對的確定，這是由于金剛石NV色心具有對稱性。普通的光探測磁共振譜只能測量出磁場和NV色心軸之間的極角以及磁場的強度大小，這些信息是遠不夠完全重構出磁場矢量的。

發明內容

本發明是為避免上述現有技術所存在的問題，提供一種基于徑向偏振光的金剛石矢量磁力計及其應用，快速測量NV軸向，有效實現實驗室坐標系下的任意恒定磁場重構。

本發明為解決技術問題采用如下技術方案：

本發明基于徑向偏振光的金剛石矢量磁力計的特點是：在恒定磁場中，利用徑向偏振光對金剛石樣品進行掃描，獲得金剛石樣品中的NV色心熒光成像，通過擬合所述NV色心熒光成像確定NV色心偏振激發的各向異性，由此確定所述金剛石樣品中的NV色心的軸朝向；再從所述NV色心中選擇三個不同軸朝向的NV色心進行脈沖光探測磁共振，根據脈沖光探測磁共振譜獲得所述恒定磁場的磁場強度，以及NV色心軸與所述恒定磁場之間的極角信息，最后利用所述三個不同軸朝向的NV色心建立一個線性無關的坐標系計算確定所述恒定磁場在實驗室坐標系中的方向。

本發明基于徑向偏振光的金剛石矢量磁力計的特點也在于：所述金剛石樣品為IIa型單晶合成[111]晶向金剛石樣品。

本發明基于徑向偏振光的金剛石矢量磁力計的特點也在于：設置所述磁力計的光路結構包括激發光路和熒光收集光路；

所述激發光路為：由激光器出射的激光光束依次經過半波片、格蘭泰勒棱鏡和渦旋半波片投向二向色鏡，并經所述二向色鏡折射后聚焦在所述金剛石樣品上，激發金剛石樣品中的NV色心，并在自發躍遷過程中發出熒光；

所述熒光收集光路為：由所述金剛石樣品發出的熒光首先透過二向色鏡，再依次透過陷波濾波片和高通濾波片，濾除波長在600-800納米外的光子，再通過100微米針孔進行空間濾波，由單光子計數器針對經過100微米針孔完成空間濾波的光子進行收集，通過掃描納米位移臺獲得所述金剛石樣品NV色心熒光成像圖。

本發明基于徑向偏振光的金剛石矢量磁力計的特點也在于：所述激光器是采用532納米的激光器、所述半波片為532納米的零級半波片、所述渦旋半波片為532納米零級渦旋半波片。