[發明專利]高Q值腔體增強型金剛石氮空位色心弱磁傳感系統

在審

• 申請號: 202111488912.4
• 申請日: 2021-12-07
• 公開（公告）號: CN114167324A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 高楊;馬維明;郭海中;李磊;喬瑩瑩
• 申請（專利權）人: 鄭州大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 鄭州裕晟知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 41142
• 代理人: 王宇飛

本發明涉及高Q值腔體增強型金剛石氮空位色心弱磁傳感系統，激光器發射的綠色激光通過聲光調制器調制，二相色鏡反射到與第一物鏡相連的錐形光纖探頭，附著有金剛石氮空位色心的錐形光纖探頭末端穿入金屬腔帶通濾波器內，高Q值的金屬腔帶通濾波器外部設有外加磁場，經激光和微波場作用的金剛石氮空位色心發出紅色熒光，紅色熒光經由錐形光纖探頭返回，被光電探測器收集，通過信號分析儀和計算機實現對具體磁場的測量和傳感。本發明將高Q值腔體濾波器引入金剛石氮空位色心的磁傳感系統中，為之提供了大寬帶的三維微波輻射場，極大提升了輻射效率，可實現對外部磁場更高靈敏度的磁場測量和傳感。

技術領域

本發明屬于磁場探測系統技術領域，具體涉及高Q值腔體增強型金剛石氮空位色心弱磁傳感系統。

背景技術

磁傳感技術在磁導航、磁異常監測、精密器件無損檢測、生物細胞磁場測量、醫學核磁共振等領域具有重要意義。近年來，金剛石氮空位色心(NV色心)由于其獨特的晶體結構和能級特性，被廣泛應用于量子信息、量子精密傳感和量子物理基礎問題等領域，特別是基于氮空位色心的高空間分辨率和高靈敏度磁傳感的應用。

目前的研究多采用微波天線實現對金剛石氮空位色心的磁場傳感與探測，其中以窄帶微波天線為輻射源的實驗系統難以實現大范圍的磁場探測，而寬帶微波天線雖然可解決這一問題，但它們都只能實現二維微波場，且微波天線直接向外部空間發射微波場，這既造成輻射場的三維不均勻性，也使得輻射效率相對較低。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的不足而提供的高Q值腔體增強型金剛石氮空位色心弱磁傳感系統，可為金剛石氮空位中心提供三維、寬帶、高輻射效率的微波場。

本發明的技術方案如下：

高Q值腔體增強型金剛石氮空位色心弱磁傳感系統，包括激光器、聲光調制器、二相色鏡、第一物鏡、錐形光纖探頭、金屬腔帶通濾波器、微波源、光電探測器、信號分析儀、計算機，所述激光器發射的綠色激光射入所述聲光調制器，所述聲光調制器調制后的激光通過二相色鏡反射到第一物鏡，所述第一物鏡和所述錐形光纖探頭通過光纖耦合器連接，所述錐形光纖探頭的末尾端附著有帶有氮空位色心的金剛石，所述微波源為所述金屬腔帶通濾波器提供微波場，所述錐形光纖探頭的末尾端穿入所述金屬腔帶通濾波器內，為金剛石氮空位色心提供三維微波場，所述金屬腔帶通濾波器外部設有外加磁場，所述金剛石氮空位色心發出紅色熒光，所述紅色熒光經由錐形光纖探頭返回，穿過第一物鏡經二相色鏡濾除綠色激光后，被所述光電探測器收集并確定熒光強度，所述光電探測器和所述信號分析儀連接，所述信號分析儀和所述計算機連接。

進一步地，還包括第一反光鏡、第二反光鏡、第三反光鏡、第一透鏡、第二透鏡、遮光欄、第二物鏡，所述激光器產生的綠色激光依次經由第一反光鏡和第一透鏡攝入激光調制器內，所述聲光調制器依次經由遮光欄、第二透鏡和第二反光鏡射至二相色鏡，所述紅色熒光從二相色鏡透過后經由第三反光鏡反射至第二物鏡后由所述光電探測器收集。

進一步地，所述激光器發射的綠色激光的波長為532nm，所述金剛石氮空位色心發出的紅色熒光的波長為640～800nm。

進一步地，所述微波源為金屬腔帶通濾波器提供的微波源的頻率為0～5GHz。

進一步地，帶有氮空位色心的金剛石的顆粒直徑為2.5～3.5μm。

進一步地，所述金屬腔帶通濾波器包括圓柱腔體、擾動圓柱、兩個SMA同軸饋線，所述擾動圓柱固定于所述圓柱腔體的底部中心，兩個所述SMA同軸饋線的端口分別穿設在所述圓柱腔體的側壁上，兩個所述SMA同軸饋線端口的夾角為90°，兩個所述SMA同軸饋線端口的內導體延伸至所述圓柱腔體內作為耦合探頭，所述圓柱腔體的側壁上開設有供錐形光纖探頭穿過的光纖通孔。

進一步地，所述金屬腔帶通濾波器的圓柱腔體和擾動圓柱由鋁制成。