[發明專利]一種基于金剛石NV色心的掃描探測系統

有效

• 申請號: 202010224841.6
• 申請日: 2020-03-26
• 公開（公告）號: CN111398231B
• 公開（公告）日: 2022-02-01
• 發明（設計）人: 林啟敬;趙曼;蔣莊德;趙立波;韓楓;李磊;孫林;楊萍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64;G01J3/44;G01N21/17
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 李鵬威

本發明公開了一種基于金剛石NV色心的掃描探測系統，在多模光纖的一端端部固定金剛石NV色心形成能夠實現激光泵浦以及熒光收集的探頭結構，在多模光纖的另一端設置二向色鏡，使光源的激光束能夠通過二向色鏡反射后進入多模光纖，然后將多模光纖固定于用于多模光纖移動的探針位移臺上，利用光源的激光束通過二向色鏡反射后進入多模光纖，激光在多模光纖一端泵浦激發納米金剛石NV色心，借助多模光纖錐進行熒光收集，通過單光子探測器接收多模光纖的反饋熒光，實現了基于金剛石NV色心的物理場超高空間分辨率探測，采用納米金剛石NV色心作為敏感元件，將其粘接在光纖探針頭部，借助于光纖探針實現激光激發和熒光信號收集，結構簡單，測量方便。

技術領域

本發明屬于量子傳感研究領域，具體涉及一種基于金剛石NV色心的掃描探測系統。

背景技術

NV色心(nitrogen vacancy center)是金剛石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。基于金剛石NV色心的量子傳感技術是基于量子物理、量子材料、量子光學和微納技術等多學科、多類別的超高精密技術，也是目前最具潛力、研究范圍最廣的一種新型傳感器，是各國爭相占領的科技制高點之一。而基于納米金剛石NV色心的超高靈敏度、超高空間分辨率測量技術可以有力推進生物細胞、生物治療和新材料研發等領域的發展和進步。該技術可用于生物細胞領域中活體細胞的實時檢測，對癌癥細胞的篩查，臨床醫學細胞治療的實時監測等領域。同時，在新材料領域，該技術也可用于石墨烯、鐵磁等新材料的物理特性研究，而目前現有掃描探測系統采用物鏡實現色心的激發和熒光收集，其熒光收集效率低、噪聲大、不利于系統微小化集成等問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于金剛石NV色心的掃描探測系統，以克服現有技術的不足。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于金剛石NV色心的掃描探測系統，包括載物位移臺、多模光纖、光源、二向色鏡和單光子探測器，多模光纖的一端端部固定有金剛石NV色心，多模光纖固定于用于多模光纖移動的探針位移臺上，載物位移臺上端面鋪設有能級調控裝置，能級調控裝置上端用于放置待測樣品，多模光纖設有金剛石NV色心一端位于載物位移臺上方，二向色鏡設置于多模光纖的另一端，光源設置于二向色鏡一側，光源的激光束能夠通過二向色鏡反射后進入多模光纖，單光子探測器設置于二向色鏡另一側，單光子探測器能夠通過二向色鏡接收多模光纖的反饋熒光。

進一步的，多模光纖設有金剛石NV色心一端垂直于載物位移臺表面。

進一步的，多模光纖端部為錐形結構，金剛石NV色心固定于多模光纖的錐形尖端。

進一步的，金剛石NV色心采用30nm金剛石NV色心。

進一步的，光源包括依次連接的激光器、空間光隔離器、聲光調制器和光闌，光闌位于二向色鏡一側，激光器發射的激光依次通過空間光隔離器、聲光調制器、光闌后經二向色鏡反射進入多模光纖。

進一步的，二向色鏡與多模光纖之間設有光纖準直器，多模光纖的輸入端固定有光纖調整架。

進一步的，單光子探測器與二向色鏡之間依次設有聚焦透鏡和濾光片，濾光片采用600nm高通濾光片濾波。

進一步的，探針位移臺為單軸納米位移臺，載物位移臺為二維納米位移臺，探針位移臺上固定有反饋音叉，反饋音叉與多模光纖側壁粘貼固定，反饋音叉通過音叉控制箱連接有上位控制機；單光子探測器通過同軸電纜連接有用于單光子計數的數據采集卡，數據采集連接于上位控制機。

進一步的，能級調控裝置包括固定于載物位移臺上的天線，天線鋪設于載物位移臺上表面，待測樣品放置于天線和金剛石NV色心之間，天線一端依次連接有微波開關、微波信號放大器和微波源。

進一步的，微波開關連接有信號發生器，信號發生器同時連接聲光調制器和上位控制機。