[發(fā)明專利]一種基于FPGA的量子光探測(cè)磁共振信號(hào)采集器

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010743330.5
• 申請(qǐng)日: 2020-07-29
• 公開（公告）號(hào): CN112083363A
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊博;杜關(guān)祥;和文豪;劉心宇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 奧為電子科技（南京）有限公司
• 主分類號(hào): G01R33/20
• 分類號(hào): G01R33/20
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發(fā)明公開了一種基于FPGA的量子光探測(cè)磁共振信號(hào)采集器，包括同步信號(hào)發(fā)生器與同步譜分析器，其中同步信號(hào)發(fā)生器包括第一電源降壓模塊、低壓差電壓調(diào)節(jié)器、全差分放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC；同步譜分析器包括第二電源降壓模塊、FPGA核心板、四路差分接收器。第一、第二電源降壓模塊分別提供5V和3.3V電壓；低壓差電壓調(diào)節(jié)器提供1.8V和3.3V電壓；全差分放大器將輸入信號(hào)進(jìn)行放大；模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC進(jìn)行數(shù)字采樣；四路差分接收器用于電平轉(zhuǎn)換和提供較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)；FPGA核心板對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析以及產(chǎn)生四路TTL信號(hào)。本發(fā)明采用基于FPGA的方式產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)和同步譜分析，免于使用脈沖板卡，簡(jiǎn)化了量子光探測(cè)磁共振信號(hào)采集器的復(fù)雜性和設(shè)備體積，節(jié)省了成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及量子光探測(cè)和信號(hào)采集領(lǐng)域，特別是涉及一種基于FPGA的量子光探測(cè)磁共振信號(hào)采集器。

背景技術(shù)

NV色心是金剛石中由替換碳原子的氮原子(Nitrogen)與其相鄰空位(Vacancy)構(gòu)成的一種具有熒光特性的缺陷，能夠感知芯片表面的磁場(chǎng)強(qiáng)弱，提供高達(dá)納米級(jí)的分辨率，具有體積小、退相干時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。它具有兩個(gè)特征明確的充電狀態(tài)：中性(NV0)或帶負(fù)電(NV-)。NV色心在正常環(huán)境下具有相對(duì)較長(zhǎng)的自旋壽命，可以使用綠色激光將其偏振以及進(jìn)行光學(xué)讀取，并且可以通過由脈沖控制的微波場(chǎng)對(duì)自旋子能級(jí)進(jìn)行操縱。NV色心的結(jié)構(gòu)具有C3v對(duì)稱性，其兩個(gè)不成對(duì)電子態(tài)在基態(tài)(3A2)和激發(fā)態(tài)(3E)是自旋三重態(tài)(S＝1)，其自旋能級(jí)有ms＝0，±1。在自旋守恒的激光激勵(lì)下，激發(fā)態(tài)ms＝0自發(fā)地回到基態(tài)ms＝0，然而ms＝±1的狀態(tài)有兩條可能的衰變路徑，其中一條是通過輻射躍遷到ms＝±1狀態(tài)，或非輻射的通過系統(tǒng)間交叉效應(yīng)到ms＝0狀態(tài)。在后一種情況下有30％的概率，ms＝±1的激發(fā)態(tài)首先衰減為亞穩(wěn)態(tài)的單重態(tài)，然后衰減為基態(tài)ms＝0。由于自旋相互作用，在室溫下NV色心的基態(tài)在ms＝0和ms＝±1態(tài)之間具有2.87GHz的零場(chǎng)分裂。當(dāng)施加外部磁場(chǎng)時(shí)，通過塞曼效應(yīng)提升ms＝±1自旋態(tài)的簡(jiǎn)并性，表現(xiàn)在ODMR譜上為共振峰值距離被拉大。通過調(diào)整外部磁場(chǎng)和四個(gè)晶體NV軸的相對(duì)取向，可以通過光學(xué)檢測(cè)磁共振(ODMR)技術(shù)觀察到基態(tài)中的總共八個(gè)微波偶極躍遷。ms＝0態(tài)和ms＝+1態(tài)或ms＝-1態(tài)之間的躍遷是磁偶極子躍遷，構(gòu)成了一個(gè)量子二能級(jí)體系，共振微波磁場(chǎng)在布洛赫球面上驅(qū)動(dòng)閉環(huán)Rabi循環(huán)。

以往的基于金剛石NV色心的微波場(chǎng)成像系統(tǒng)，多采用脈沖板卡，由電腦控制產(chǎn)生同步TTL脈沖序列；而對(duì)金剛石NV色心返回的紅光，一般都是通過雪崩光電二極管(APD)采集，然后通過頻譜分析儀或者鎖相方式讀出相應(yīng)的頻率值，最后通過將得到的值帶入LABVIEW或者M(jìn)ATLAB等程序中進(jìn)行后序的運(yùn)算得出相應(yīng)的光探測(cè)磁共振(ODMR)值，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)顯得復(fù)雜與繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種系統(tǒng)復(fù)雜度低、便攜性高的基于FPGA的量子光探測(cè)磁共振信號(hào)采集器。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的基于FPGA的量子光探測(cè)磁共振信號(hào)采集器，包括同步信號(hào)發(fā)生器與同步譜分析器；所述同步信號(hào)發(fā)生器包括第一電源降壓模塊、低壓差電壓調(diào)節(jié)器、全差分放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC、FPGA核心板；所述同步譜分析器模塊包括第二電源降壓模塊、FPGA核心板、四路差分接收器；其中，

所述第一電源降壓模塊分別與全差分放大器、低壓差電壓調(diào)節(jié)器、FPGA核心板、四路差分接收器相連接，用于提供5V電壓；

所述第二電源降壓模塊用于向以太網(wǎng)口提供3.3V電壓，所述以太網(wǎng)口通過網(wǎng)口轉(zhuǎn)換與FPGA核心板進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；

所述低壓差電壓調(diào)節(jié)器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC連接，用于提供1.8V和3.3V電壓；

所述全差分放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC連接，用于將輸入信號(hào)進(jìn)行放大；

所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC與FPGA核心板連接，用于進(jìn)行數(shù)字采樣；