[發明專利]基于固態原子自旋幾何相的光懸浮角速度測量裝置與方法

有效

• 申請號: 202210365565.4
• 申請日: 2022-04-08
• 公開（公告）號: CN114441794B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發明（設計）人: 張寧;郭強;王子軒;張夢詩;于婷婷;李梓文;胡慧珠
• 申請（專利權）人: 之江實驗室
• 主分類號: G01P3/36
• 分類號: G01P3/36
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 賈玉霞

本發明公開一種基于固態原子自旋幾何相的光懸浮角速度測量裝置與方法，此裝置將光懸浮微型顆粒高速旋轉技術應用到金剛石中氮?空位色心固態原子自旋角速度測量系統中，對測量系統進行整體設計，通過光懸浮微型顆粒實現NV色心自旋相對系統部件的獨立懸浮旋轉，本發明將懸浮激光偏振角動量轉化為微型顆粒旋轉角動量，進而轉化為NV色心幾何相累積的，從而實現對微型顆粒質心運動、旋轉運動和NV色心幾何相三種信號的同步實時檢測。同時，本發明中的主要光學器部件均采用光纖式設計，提高了本發明裝置的可拓展性、可靠性和便攜性。本發明將有利于拓展基于固態原子自旋幾何相角速度測量裝置在微小型集成化等方面的研究和應用。

技術領域

本發明涉及固態原子自旋、光懸浮技術和角速度測量領域，具體涉及一種基于固態原子自旋幾何相的光懸浮角速度測量裝置與方法。

背景技術

憑借量子傳感技術超越經典測量極限的突出優勢，基于原子自旋及量子效應的角速度測量裝置正處于蓬勃發展階段。為了能夠滿足微小型應用場景的需求，研究者們將目光聚焦于無需承載腔室且自旋密度較大的固態原子自旋材料。近年來，基于固態原子自旋的角速度測量方案已逐漸得到重視，其中發展最為迅速的固體自旋材料為金剛石內嵌氮-空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心，一般可通過檢測NV色心在旋轉過程中累積的自旋幾何相來實現高精度角速度測量。由于NV色心量子傳感系統離不開光學激發檢測和微波操控等系統部件的聯合裝配，因此，傳統的角速度測量技術方案只能通過將含有NV色心的固體自旋樣品與系統部件固連的形式在高速轉臺上實現整體旋轉，從而進行轉動試驗測量角速度。通過此種方式測得的角速度容易受到與樣品相連的系統部件的干擾，并不能反映NV色心的固體自旋樣品真實的角速度，測量精度低。同時，因為系統部件僅能在低速范圍內轉動，這種測試方式還對高速轉臺的轉速和體積提出了更高要求，進而限制了待測角速度僅能局限在較小的測量范圍內，也使得現有系統難以向小型化便攜式的方向發展。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提出一種基于固態原子自旋幾何相的光懸浮角速度測量裝置與方法，通過將光懸浮技術應用在固態原子自旋角速度測量方案中，進而將圓極化懸浮激光的自旋角動量轉化為NV色心所在顆粒的空間旋轉角動量，實現NV色心不依賴于高速轉臺的獨立旋轉運動，使得測得的角速度準確性更高，測量范圍更廣。同時，通過將各主要光學器部件設計為光纖型器件，進一步提高角速度測量裝置的實用性和可拓展性。

本發明的目的通過如下的技術方案來實現：

一種基于固態原子自旋幾何相的光懸浮角速度測量裝置，該裝置用于測量二氧化硅微型顆粒的光懸浮角速度，所述二氧化硅微型顆粒上生長含有均勻分布取向一致的NV色心金剛石薄膜；

該裝置包括入射光路、出射光路、真空腔，以及位于所述真空腔內的聚光透鏡組、微波天線；

所述微波天線對準所述二氧化硅微型顆粒，且所述微波天線通過微波線纜連接位于所述真空腔外的微波系統；

所述入射光路上，懸浮激光器、第一光纖型λ/4可調波片、合束器、真空腔依次通過光纖連接，激發激光器也通過光纖連接合束器；所述聚光透鏡組的中心位于所述入射光路上，測量時二氧化硅微型顆粒放置在所述聚光透鏡組的中心，所述聚光透鏡組用于將所述合束器輸出的合束激光聚焦到所述二氧化硅微型顆粒上以實現所述二氧化硅微型顆粒的懸浮和激發；

所述出射光路上，真空腔、第一分束器、第二分束器、第二光纖型λ/4可調波片和偏振分束器依次通過光纖連接；熒光探測器、質心探測器、差分探測器分別通過光纖與第一分束器、第二分束器、偏振分束器一一對應連接，熒光探測器、質心探測器、差分探測器與數據處理與分析系統連接；熒光探測器上還設置有濾波片；

所述數據處理與分析系統采集質心探測器和差分探測器探測結果確定顆粒懸浮狀態，再通過熒光探測器得到二氧化硅微型顆粒的NV色心熒光信息從而解算出相應旋轉角速度信息。

進一步地，為了實現激光與二氧化硅微型顆粒的懸浮效果，所述微型顆粒的尺寸在100-1000 nm范圍內。