[發(fā)明專利]磁力計探頭及磁場測量方法

有效

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• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112180303B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發(fā)明（設計）人: 靖克;榮星;謝一進;朱云彬;于會堯;謝才津;杜江峰
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 周天宇

1.一種磁力計探頭，其特征在于，包括：

靜磁場發(fā)生裝置、操控場發(fā)生裝置、基于固態(tài)自旋的磁敏感單元及光電二極管；

所述靜磁場發(fā)生裝置，用于產(chǎn)生穩(wěn)恒靜磁場；

所述操控場發(fā)生裝置為雙開口環(huán)結(jié)構(gòu)或者共平面波導結(jié)構(gòu)，用于產(chǎn)生操控場；

所述基于固態(tài)自旋的磁敏感單元，位于所述穩(wěn)恒靜磁場和待測磁場中，在外部光源和所述操控場作用下，所述固態(tài)自旋中電子自旋態(tài)發(fā)生躍遷，產(chǎn)生熒光信號；

所述磁力計探頭還包括熒光信號聚集單元，用于將所述基于固態(tài)自旋的磁敏感單元產(chǎn)生的所述熒光信號匯聚到所述光電二極管上；

所述光電二極管，用于接收所述熒光信號，并將所述熒光信號轉(zhuǎn)換成電信號，所述電信號包含所述待測磁場的信息；

所述磁力計探頭還包括聚集調(diào)制單元和壓電片，所述聚集調(diào)制單元固定在壓電片上，外部驅(qū)動設備給所述壓電片交流激勵，所述壓電片帶動所述聚集調(diào)制單元在所述基于固態(tài)自旋的磁敏感單元的上方做周期性的運動，所述聚集調(diào)制單元用于將所述穩(wěn)恒靜磁場和所述待測磁場由準恒磁場變?yōu)榻蛔兇艌觯?/p>

其中，所述操控場發(fā)生裝置的中心部位開設有透光部，所述基于固態(tài)自旋的磁敏感單元安裝于所述操控場發(fā)生裝置的透光部的正上方，以使所述熒光信號穿過所述透光部發(fā)射到所述光電二極管。

2.根據(jù)權利要求1所述的磁力計探頭，其特征在于，所述基于固態(tài)自旋的磁敏感單元為含有氮-空位色心的金剛石樣品、硅-空位色心的金剛石樣品或含有硅-空位色心的碳化硅樣品。

3.根據(jù)權利要求1或2所述的磁力計探頭，其特征在于，所述基于固態(tài)自旋的磁敏感單元的預設面上鍍有反射膜，所述反射膜用于對所述基于固態(tài)自旋的磁敏感單元產(chǎn)生的所述熒光信號進行反射，以使所述熒光信號從未鍍有所述反射膜的面上射出至所述透光部；

在任一所述預設面上開設入射窗口，所述外部光源從所述入射窗口射入，或從任一所述未鍍有所述反射膜的面射入。

4.根據(jù)權利要求3所述的磁力計探頭，其特征在于，所述未鍍有所述反射膜的面至少為一個，所述預設面為多個。

5.根據(jù)權利要求3所述的磁力計探頭，其特征在于，所述基于固態(tài)自旋的磁敏感單元上所述未鍍有所述反射膜的面與所述操控場發(fā)生裝置的所述透光部相對應。

6.根據(jù)權利要求1或2所述的磁力計探頭，其特征在于，所述基于固態(tài)自旋的磁敏感單元，具體用于，

在所述穩(wěn)恒靜磁場的作用下，所述固態(tài)自旋中的電子自旋態(tài)躍遷的能級發(fā)生塞曼分裂得到塞曼能級；

在所述外部光源作用下，所述電子自旋態(tài)在基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間發(fā)生躍遷，產(chǎn)生第一熒光信號；在所述操控場作用下，所述電子自旋態(tài)在所述塞曼能級內(nèi)發(fā)生躍遷，改變所述第一熒光信號的強度，得到第二熒光信號；

在所述待測磁場作用下，所述塞曼能級的能級差隨所述待測磁場的變化而變化，使所述第二熒光信號的強度隨所述待測磁場的能級差的變化而變化，得到所述熒光信號。

7.根據(jù)權利要求1所述的磁力計探頭，其特征在于，所述磁力計探頭還包括磁通聚集單元，用于放大作用在所述基于固態(tài)自旋的磁敏感單元上的所述穩(wěn)恒靜磁場和所述待測磁場的磁信號。

8.一種磁場測量方法，基于權利要求1-7中任意一項所述的磁力計探頭，所述方法包括：

通過靜磁場發(fā)生裝置產(chǎn)生穩(wěn)恒靜磁場；

通過操控場發(fā)生裝置產(chǎn)生操控場；

通過基于固態(tài)自旋的磁敏感單元，位于所述穩(wěn)恒靜磁場和待測磁場中，在外部光源和所述操控場作用下，使所述固態(tài)自旋中電子自旋態(tài)發(fā)生躍遷，產(chǎn)生熒光信號；

所述熒光信號經(jīng)過透光部射出至熒光信號聚集單元，經(jīng)熒光信號聚集單元匯聚，傳導到光電二極管；

通過光電二極管接收所述熒光信號，并將所述熒光信號轉(zhuǎn)換成電信號，所述電信號包含所述待測磁場的信息。