[發(fā)明專利]基于金剛石NV色心的單路三軸磁信息檢測(cè)方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010516017.8
• 申請(qǐng)日: 2020-06-09
• 公開（公告）號(hào): CN111521961B
• 公開（公告）日: 2022-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭浩;劉俊;唐軍;李中豪;馬宗敏;溫?zé)w;王琴琴;武亮偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號(hào): G01R33/032
• 分類號(hào): G01R33/032
• 代理公司: 太原科衛(wèi)專利事務(wù)所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;武建云

本發(fā)明公開一種基于金剛石NV色心的單路三軸磁信息檢測(cè)方法及系統(tǒng)，在激光與微波掃頻信號(hào)的作用下，金剛石NV色心產(chǎn)生熒光，并通過(guò)光電探測(cè)器采集到光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，在示波器上觀察到金剛石NV色心的ODMR譜，再通過(guò)調(diào)整金剛石附近磁鐵的位置，得到產(chǎn)生四對(duì)峰值的ODMR譜，通過(guò)PC機(jī)對(duì)微波控制模塊進(jìn)行分頻調(diào)控，產(chǎn)生等頻率差等時(shí)序輸出的單側(cè)ODMR的四路微波頻率信號(hào)，由數(shù)據(jù)采集軟件采集并記錄為初始值，改變外部磁場(chǎng)的大小，重復(fù)數(shù)據(jù)采集步驟，將采集到的新的數(shù)據(jù)與初始值進(jìn)行比較，進(jìn)行電磁信息轉(zhuǎn)換與三軸磁信息解算，最終由PC機(jī)輸出最后的磁場(chǎng)變化結(jié)果。本發(fā)明檢測(cè)方法簡(jiǎn)便，節(jié)約了大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備與空間，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于量子傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于金剛石NV色心磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)單路三軸磁場(chǎng)信息的檢測(cè)。

背景技術(shù)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，弱磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)在許多諸如生物醫(yī)學(xué)、軍事工程、資源勘測(cè)和空間探測(cè)等重要領(lǐng)域中占有不可或缺的地位。如生物醫(yī)學(xué)中的核磁共振技術(shù)、軍事艦艇中的消磁、探潛、魚雷制導(dǎo)及衛(wèi)星測(cè)距、航磁、地磁測(cè)量，使用的都是弱磁測(cè)量?jī)x器，高精度的弱磁測(cè)儀器是資源勘查的主要設(shè)備。且弱磁檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)今高新技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)，研制高性能、小型化、低功耗、低成本的弱磁測(cè)量傳感器，對(duì)我國(guó)國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

近年來(lái)，基于金剛石NV色心的弱磁測(cè)量技術(shù)受到了越來(lái)越多的關(guān)注，與傳統(tǒng)的磁測(cè)量技術(shù)相比，它具有體積小，相干時(shí)間長(zhǎng)，且溫度工作區(qū)間的范圍廣的特點(diǎn)。金剛石NV色心是由一個(gè)氮原子取代金剛石中的碳原子，并且在臨近位有一個(gè)空穴所形成的一個(gè)點(diǎn)缺陷，且由于金剛石的面心立方結(jié)構(gòu)，金剛石NV色心可能有四個(gè)不同的軸向。基于單個(gè)NV色心在外加磁場(chǎng)下的塞曼分裂，再根據(jù)NV色心的基態(tài)哈密頓量本證方程，可以得到在任意磁場(chǎng)下的ODMR峰值的位置，從而推算出該NV色心軸向上外磁場(chǎng)的標(biāo)量。

在NV系宗中，不同軸向的NV色心都能夠測(cè)量出對(duì)應(yīng)的ODMR譜，從而得到金剛石NV色心四個(gè)軸向上所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)標(biāo)量信息。通過(guò)空間三維坐標(biāo)系，可以推算出金剛石NV色心四個(gè)軸向與磁場(chǎng)三維矢量的轉(zhuǎn)換關(guān)系，進(jìn)而可以得到金剛石NV色心所測(cè)磁場(chǎng)的矢量信息。

基于目前使用金剛石NV色心檢測(cè)矢量磁場(chǎng)的方法，在數(shù)據(jù)分析處理時(shí)需要將金剛石NV色心的四個(gè)軸向的四路ODMR信號(hào)分別進(jìn)行觀察以及數(shù)據(jù)處理，過(guò)程操作較為繁復(fù)，因此本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種單路信號(hào)輸出金剛石NV色心的四個(gè)軸向信號(hào)的方法，并直接對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了三軸矢量磁信息解算，得到最終的磁場(chǎng)矢量結(jié)果，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)儀器，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有金剛石NV色心三軸磁場(chǎng)檢測(cè)方法存在的不足，提出一種單路三軸磁場(chǎng)信息檢測(cè)的方法，將金剛石NV色心的四個(gè)軸向的ODMR信號(hào)頻率信息通過(guò)單路信號(hào)輸出，并完成三軸磁信息解算。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于金剛石NV色心的單路三軸磁信息檢測(cè)系統(tǒng)，包括位于光探測(cè)磁共振光路上的激光器、凸透鏡、帶有NV色心的金剛石、濾光片、凸透鏡以及光電探測(cè)器，所述激光器入射激光到凸透鏡后把激光聚焦在金剛石上，所述金剛石的NV色心產(chǎn)生熒光信號(hào)透過(guò)濾光片，再經(jīng)過(guò)凸透鏡聚焦后被光電探測(cè)器收集。

所述金剛石下方固定有微波天線，所述微波天線由位于PC機(jī)上的微波控制模塊控制，所述微波控制模塊實(shí)現(xiàn)微波掃頻范圍為20MHz~5.4GHz以及等時(shí)序等頻率差輸出金剛石NV色心系中四個(gè)軸向ODMR譜頻率信息。

所述光電探測(cè)器的第一輸出端連接示波器，所述光電探測(cè)器的第二輸出端與位于PC機(jī)上的數(shù)據(jù)采集軟件連接；所述數(shù)據(jù)采集軟件實(shí)現(xiàn)單通道四路ODMR譜信號(hào)的采集功能，并與初始值進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比計(jì)算，進(jìn)行電磁信息解算以及三軸磁信息解算，最后輸出磁場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果。

所述金剛石旁邊設(shè)有磁鐵。

應(yīng)用于上述系統(tǒng)的基于金剛石NV色心的單路三軸磁場(chǎng)信息檢測(cè)的方法，包括以下步驟：