[發(fā)明專利]一種基于NV色心的陣列式表頭及溫度傳感裝置

有效

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• 申請日: 2020-06-29
• 公開（公告）號: CN111504499B
• 公開（公告）日: 2020-10-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張寧;韓邦成;安寧
• 申請（專利權(quán)）人: 之江實(shí)驗(yàn)室
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32;G02B6/27
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

本發(fā)明公開了一種基于NV色心的陣列式表頭及溫度傳感裝置，對溫度傳感裝置表頭中的內(nèi)含NV色心金剛石顆粒、激發(fā)光路、檢測光路和微波饋送等關(guān)鍵部件進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)，由光纖束和金剛石顆粒的配合形成陣列式表頭，并最終通過陣列式表頭與各關(guān)鍵子系統(tǒng)形成具有高空間分辨率高測量靈敏度的NV色心溫度測量裝置。本發(fā)明屬于量子溫度測量技術(shù)與光纖陣列技術(shù)的融合交叉領(lǐng)域，極大地減小了NV色心溫度傳感裝置體積，提高了表頭集成度和測量可靠性，拓展了NV色心相關(guān)技術(shù)在熱成像等領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于量子溫度傳感技術(shù)與光纖陣列技術(shù)的融合交叉領(lǐng)域，具體涉及一種基于氮-空位（nitrogen vacancy，以下簡稱NV）色心的陣列式表頭及溫度傳感裝置。

背景技術(shù)

隨著量子操控、精密光譜、材料科學(xué)等相關(guān)技術(shù)的急速發(fā)展，量子傳感技術(shù)以其遠(yuǎn)超經(jīng)典測量極限的突出優(yōu)勢得到越來越多領(lǐng)域的關(guān)注。在微機(jī)電、精密化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)研究方面，高精度溫度傳感技術(shù)可以為電磁效應(yīng)和化學(xué)生物反應(yīng)過程提供重要信息和判斷依據(jù)。研究具有高測量靈敏度的陣列化溫度測量方法對于理解復(fù)雜溫變系統(tǒng)的溫度梯度細(xì)微分布具有極其重要的意義。目前，常用的熱成像系統(tǒng)主要有拉曼光譜、熒光熱像儀和掃描熱顯微術(shù)等，這些溫度測量方法尚存在測量靈敏度低、穩(wěn)定性差、空間分辨率不足等問題。內(nèi)含NV色心的金剛石材料具有測量靈敏度高、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、工作溫度范圍大等特點(diǎn)，已成為一種熱門的固態(tài)量子材料。同時(shí)，金剛石微粒還可以實(shí)現(xiàn)納米級空間分辨率的量子溫度傳感測量，使空間分辨率和靈敏度的結(jié)合成為可能，通過將含有NV色心的金剛石微粒陣列化則有望實(shí)現(xiàn)高測量靈敏度的熱成像系統(tǒng)。NV色心溫度測量的主要原理是基于基態(tài)零場分裂軸向參數(shù)隨溫度的負(fù)相關(guān)特性，較為常用的測量方法是通過跟蹤NV色心光探測磁共振譜線的偏移來實(shí)現(xiàn)待測溫度變化的檢測和解算。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種基于NV色心的陣列式表頭及溫度傳感裝置，具體技術(shù)方案如下：

一種基于NV色心的陣列式表頭，該表頭包括外殼，以及設(shè)置在外殼內(nèi)部的分束器、輸入端光纖束、環(huán)形器、傳感端光纖束、輸出端光纖束、檢測接頭、金剛石基板、表面波導(dǎo)、光纖接頭固定板；

所述的分束器和檢測接頭分別固定在所述的外殼內(nèi)部兩個(gè)相對的側(cè)壁上，所述的環(huán)形器固定在所述的外殼內(nèi)部的頂部，所述的金剛石基板固定在所述的外殼的內(nèi)部的下表面，所述的表面波導(dǎo)布設(shè)在所述的金剛石基板的上表面，所述的光纖接頭固定板固定在所述的金剛石基板上；

所述的輸入端光纖束一端與所述的分束器連接，所述的輸出端光纖束一端與所述的檢測接頭連接，所述的傳感端光纖束的一端穿過所述的光纖接頭固定板與所述的金剛石基板連接，所述的輸入端光纖束、輸出端光纖束、傳感端光纖束的另一端均與所述的環(huán)形器連接；

所述的光纖接頭固定板上開設(shè)有陣列化的光纖導(dǎo)孔，所述的金剛石基板上開設(shè)有金剛石固定槽，金剛石位于所述的金剛石固定槽內(nèi)，且所述的金剛石固定槽和所述的光纖導(dǎo)孔的位置和數(shù)量與所述的傳感端光纖束的光纖一一對應(yīng)，所述的傳感端光纖束與所述的金剛石緊密接觸；

所述的陣列式表頭還包括固定在所述的外殼外部的光纖耦合頭、檢測接頭、同軸電纜接頭，所述的光纖耦合頭用于與激發(fā)激光系統(tǒng)相連，所述的檢測接頭與所述的輸出端光纖束連接，所述的同軸電纜接頭通過電極與所述的金剛石基板上的表面波導(dǎo)相連。

進(jìn)一步地，所述的輸入端光纖束和輸出端光纖束分別由光纖束帶捆扎固定。

進(jìn)一步地，所述的金剛石基板由SiC或Si制成。

進(jìn)一步地，所述的光纖接頭固定板上的光纖導(dǎo)孔與金剛石基板上的金剛石固定槽的幾何中心同軸。

進(jìn)一步地，所述的金剛石采用高純度金剛石顆粒，且每個(gè)金剛石顆粒中內(nèi)含晶向和濃度一致的NV色心。