[發(fā)明專利]一種提高金剛石NV色心極化效率的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011057645.0
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112284431B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 袁珩;劉田正;張冀星;徐麗霞;李銘心;劉禹辰;劉雨豪
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01D5/48
• 分類號: G01D5/48
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11129
• 代理人: 吳小燦;朱亞娜

一種提高金剛石NV色心極化效率的方法，通過采用指數(shù)脈沖波形的脈沖激光代替?zhèn)鹘y(tǒng)方波脈沖來極化金剛石NV色心，能夠縮短極化時間和提高極化率，從而有利于在磁場探測、溫度測量或原子慣性測量中更好地和更有效率地利用金剛石NV色心進行操控和檢測。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及原子自旋效應(yīng)量子傳感測量技術(shù)，特別是一種提高金剛石NV色心極化效率的方法，通過采用指數(shù)脈沖波形的脈沖激光代替?zhèn)鹘y(tǒng)方波脈沖來極化金剛石NV色心，能夠縮短極化時間和提高極化率，從而有利于在磁場探測、溫度測量或原子慣性測量中更好地和更有效率地利用金剛石NV色心進行操控和檢測。

背景技術(shù)

基于原子自旋效應(yīng)量子傳感測量研究已經(jīng)成為傳感測量領(lǐng)域中至關(guān)重要的發(fā)展方向之一。在原子自旋效應(yīng)量子傳感測量中，金剛石內(nèi)的氮-空位色心(Nitrogen-Vacancy,NV)是應(yīng)用最為廣泛的。金剛石的NV色心傳感測量的研究主要包括激光極化、微波操控和熒光檢測等，NV色心自旋的微波操縱是其應(yīng)用的基礎(chǔ)，NV色心自旋極化是操縱的前提。目前，現(xiàn)有的極化方法只能使極化率達到80％，無法滿足某些微小型高靈敏度量子傳感測量應(yīng)用需求，且需要較長的極化時間會影響后續(xù)操控、檢測的高效進行。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷或不足，提供一種提高金剛石NV色心極化效率的方法，通過采用指數(shù)脈沖波形的脈沖激光代替?zhèn)鹘y(tǒng)方波脈沖來極化金剛石NV色心，能夠縮短極化時間和提高極化率，從而有利于在磁場探測、溫度測量或原子慣性測量中更好地和更有效率地利用金剛石NV色心進行操控和檢測。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種提高金剛石NV色心極化效率的方法，其特征在于，包括采用指數(shù)波形脈沖激光照射金剛石樣品中的NV色心來極化金剛石NV色心。

所述指數(shù)波形脈沖具有以下函數(shù)表達式：

式中P(t)為激光極化功率，t為時間，a為波形初始功率，b為波形結(jié)束功率，T為脈沖寬度，a＞b。

所述指數(shù)波形脈沖激光的波長為637nm。

所述金剛石NV色心在激光將基態(tài)電子激發(fā)到激發(fā)態(tài)后，有一部分電子直接從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，并伴隨著一個紅色波段的光子輸出，另一部分則通過亞穩(wěn)態(tài)系間竄越釋放出1042nm的紅外輻射，并且大部分電子回落到基態(tài)中自旋投影量子數(shù)為0的態(tài)m_s＝0上，小部分回落到自旋量子數(shù)為±1的m_s＝±1態(tài)上，整個激發(fā)過程持續(xù)進行最終將金剛石內(nèi)氮-空位電子大部分自旋抽運到自旋量子能級0態(tài)上，從而完成了電子自旋的極化。

包括極化效率評估，所述極化效率評估具有極化率和極化時間在內(nèi)的評價指標(biāo)。

所述極化率評價指標(biāo)是指在極化過程結(jié)束后，基態(tài)中的電子在m_s＝0中的比例越高，m_s＝±1中的比例越低，則極化率越高，其范圍在0-100％之間。

所述極化率評價指標(biāo)通過以下方式檢測得到：在極化過程結(jié)束后，加入兩段激光波形為方波的脈沖，第一段用于檢測，第二段用于對比，由于激發(fā)態(tài)中自旋投影量子數(shù)為0的態(tài)和1的態(tài)向單態(tài)進行躍遷時躍遷速率不同導(dǎo)致，激發(fā)態(tài)中自旋投影量子數(shù)為0的態(tài)和1的態(tài)的電子從激發(fā)態(tài)直接回落到基態(tài)的比例不同，進而導(dǎo)致熒光信號的變化，所以電子在m_s＝0與m_s＝±1的占比不同時，其檢測熒光信號也不同。

本發(fā)明的技術(shù)效果如下：本發(fā)明一種提高金剛石NV色心極化效率的方法，與普通的極化方法相比，本方案不但提高了極化率，而且縮短了極化時間。該方法摒棄了此前的方波脈沖極化方法，通過改變激光的脈沖函數(shù)，縮短激光的極化時間并且提高極化率。本方法在利用NV-色心進行磁場探測、溫度測量和原子慣性測量時，都有著極其重要的作用。