[發明專利]提高NV色心系綜磁強計系綜靈敏度的熒光收集結構

在審

• 申請號: 202110290739.0
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN113064107A
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 高揚;易忠;徐超群;郭世超;張瓊予;孟立飛;肖琦;張超;劉超波;黃魁;鄧佳欣
• 申請（專利權）人: 北京衛星環境工程研究所
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙) 11435
• 代理人: 郭棟梁

本申請提供一種提高NV色心系綜磁強計系綜靈敏度的熒光收集結構，包括在金剛石側面設的側面熒光反射部或側面熒光探測部，對應金剛石下方設的第一底面熒光探測部及第二底面熒光探測部；金剛石的激光非入射區表面設有熒光全反射層；側面熒光探測部用于檢測金剛石側面射出的熒光光子；第一底面熒光探測部用于檢測金剛石底面射出的熒光光子；側面熒光反射部用于將水平方向的熒光光子反射向金剛石的底面方向；第二底面熒光探測部用于檢測金剛石底面及側面熒光反射部底面射出的熒光光子。本申請的有益效果是：在金剛石的上表面、側面及底面設置熒光反射或者熒光探測裝置，從而提高熒光光子的收集效率，提高NV色心系綜磁強計的靈敏度。

技術領域

本公開涉及航天器磁環境測量研究領域，具體涉及一種提高NV色心系綜磁強計系綜靈敏度的熒光收集結構。

背景技術

目前，磁場測量設備主要由磁通門磁強計、光泵磁強計、SQUID等，由于這些設備分別存在靈敏度低、帶寬小、重量大、不能矢量測量等問題，使之不能滿足空間磁場、地球磁場研究的需求。近年來，國際上正在關注基于金剛石NV色心的磁強計。金剛石NV色心是指一個N原子替換掉一個C原子，隨后俘獲一個空穴后形成可以發出637nm熒光的NV色心。NV色心能級基態為自旋三重態，且沒有熒光閃爍和熒光漂白效應，可以利用塞曼效應進行磁場測量。通過ODMR方法進行熒光信號強度的測量，利用熒光信號變化和微波頻率得知塞曼效應導致的能級劈裂，進而得到外磁場大小。

對于金剛石NV色心系綜磁強計系綜，提高探測信號的對比度F將有效提高系統靈敏度。讀出對比度和每次測量每個NV色心讀出的光子數的關系是在這種情況下，可以通過提高幾何收集效率η_geo提高靈敏度，其中η_geo＝N/N_max，N是每次測量收集到的光子數、N_max是NV色心發射的光子總數。

由于金剛石的高折射率，金剛石和空氣界面的全反射角僅為28°，熒光光子難以從金剛石出射到達探測器。采用數值孔徑分別為0.95、1.49的油浸潤式物鏡時，僅僅能收集3.7％和10.4％的光子。

金剛石內部雜質和晶格對與637nm熒光的吸收效率非常低，熒光的損耗主要由于多次反射后在金剛石表面出射。

發明內容

本申請的目的是針對以上問題，提供一種提高NV色心系綜磁強計系綜靈敏度的熒光收集結構。

第一方面，本申請提供一種提高NV色心系綜磁強計系綜靈敏度的熒光收集結構，包括在產生NV色心熒光的金剛石側面設置的側面熒光反射部或者側面熒光探測部，以及對應所述金剛石下方設置的第一底面熒光探測部及第二底面熒光探測部；所述金剛石的上表面設為激光入射區及激光非入射區，所述激光非入射區表面設有熒光全反射層，入射激光由所述激光入射區射入所述金剛石內，激發金剛石NV色心產生熒光；當金剛石側面設置側面熒光探測部時，金剛石下方設置所述第一底面熒光探測部；當金剛石側面設置側面熒光反射部時，金剛石下方設置所述第二底面熒光探測部；所述側面熒光探測部，用于檢測由金剛石側面射出的熒光光子；所述第一底面熒光探測部，用于檢測由金剛石底面射出的熒光光子；所述側面熒光反射部，用于將NV色心發出的水平方向的熒光光子反射向金剛石的底面方向；所述第二底面熒光探測部，用于檢測由金剛石底面及側面熒光反射部底面射出的熒光光子。

根據本申請實施例提供的技術方案，還包括對應所述金剛石頂面的激光入射區設置的頂面熒光探測部，所述頂面熒光探測部，用于檢測由金剛石頂面的激光入射區發射出的熒光光子。

根據本申請實施例提供的技術方案，所述頂面熒光探測部包括物鏡、反射鏡、頂面濾片及頂面熒光探測器，所述物鏡放置在金剛石的頂面上，由金剛石頂面的激光入射區出射的熒光光子依次經過物鏡、反射鏡、頂面濾片后被射入至頂面熒光探測器內。