[發明專利]一種結合鎖放處理的脈沖式NV色心磁場測量方法

有效

• 申請號: 202011637813.3
• 申請日: 2020-12-31
• 公開（公告）號: CN112649768B
• 公開（公告）日: 2021-12-21
• 發明（設計）人: 房建成;卞國棟;張冀星;徐麗霞;袁珩
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 吳小燦;朱亞娜

一種結合鎖放處理的脈沖式NV色心磁場測量方法，在保證脈沖式測量方法的高對比度的同時，結合鎖相放大方法的低頻噪聲影響小等優點，有效地降低了脈沖式磁場測量的技術噪聲，提高了脈沖式磁場測量的信噪比，進而提高了測量靈敏度，且操作簡單，易于實現。

技術領域

本發明涉及磁場測量技術，特別是一種結合鎖放處理的脈沖式NV色心磁場測量方法，在保證脈沖式測量方法的高對比度的同時，結合鎖相放大方法的低頻噪聲影響小等優點，有效地降低了脈沖式磁場測量的技術噪聲，提高了脈沖式磁場測量的信噪比，進而提高了測量靈敏度，且操作簡單，易于實現。

背景技術

小區域弱磁場的檢測和成像在材料科學、介觀物理和生命科學等研究領域都有著廣泛的應用。近年來，隨著量子技術的飛速發展，一些新的磁場測量手段被提出并付諸實踐，典型的代表有：超導量子干涉儀，基于無自旋交換弛豫的SERF磁強計，核磁共振磁強計和金剛石NV色心磁強計(NV，Nitrogen-Vacancy，氮-空位，金剛石內的氮-空位色心)。相較于其他磁場測量方案，NV色心在室溫下啟動、矢量測量等方面有著巨大優勢。利用NV色心進行磁場測量一般有兩種形式，一種是脈沖式，一種是連續式。脈沖式測量的對比度高，靈敏度高，但是同時噪聲大，信噪比低；連續式測量靈敏度低于脈沖式，但是因為連續式測量可以對信號進行鎖相放大處理，使得其低頻噪聲遠低于脈沖式測量。因此，一種結合鎖放處理的脈沖式NV色心磁場測量方法，相比傳統的脈沖式測量具有更高的信噪比，其可觀的應用前景將會引起巨大關注。

發明內容

本發明根據技術的發展，提供一種結合鎖放處理的脈沖式NV色心磁場測量方法。

本發明的技術解決方案如下：

一種結合鎖放處理的脈沖式NV色心磁場測量方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1，脈沖發生模塊根據第一操作指令產生脈沖序列，進行基于NV色心脈沖式磁場測量；步驟2，在測量過程中，信號發生器根據第二操作指令產生調制信號進行調制；步驟3，熒光探測模塊對金剛石NV色心產生的熒光信號進行檢測；步驟4，對原始測量結果進行鎖相放大處理，并輸出最終磁場測量結果。

按照設定的脈沖式磁場測量次數N循環步驟1至步驟3以獲得N個原始測量結果，所述N個原始測量結果均通過數據采集模塊記錄并輸出。

所述脈沖序列，包括激光脈沖、等待脈沖和微波操控脈沖；所述NV色心為金剛石內帶一個負電的氮-空位色心；所述激光脈沖分為極化脈沖和檢測脈沖，極化脈沖用于將NV色心的電子自旋態進行極化；等待脈沖緊接著極化脈沖之后，用于等待仍處于激發態和單態的電子完全弛豫到基態；微波操控脈沖緊接著等待脈沖之后，用于對NV色心電子自旋基態進行操控；檢測脈沖緊接著微波操控脈沖之后，用于對NV色心電子的布居數進行檢測。

每次脈沖式磁場測量序列的檢測脈沖與下一次脈沖式磁場測量序列的極化脈沖共用。

所述調制信號包括激光功率、微波功率、微波頻率和/或磁場。

所述微波頻率的調制滿足f₀+△fsin(ω_mt)，其中，f₀為調制中心頻率，△f為調制深度，ω_m為角速度，t為時間，調制頻率f＝(ω_m/2π)應小于系統采樣率的1/5。

所述測量結果為時變信號，使用包括數據采集卡進行采集。

所述鎖相放大處理，即對調制信號進行解調并放大后獲得最終的磁場測量結果；鎖相放大處理使得技術噪聲被進一步抑制，增強了信噪比，進而提高了測量靈敏度。

本發明的技術效果如下：本發明一種結合鎖放處理的脈沖式NV色心磁場測量方法，在保證脈沖式測量方法的高對比度的同時，結合鎖相放大方法的低頻噪聲影響小等優點，有效地降低了脈沖式磁場測量的技術噪聲，提高了脈沖式磁場測量的信噪比，進而提高了測量靈敏度，且操作簡單，易于實現。

附圖說明