[发明专利]一种集成化金刚石NV荧光高效激发与收集系统

说明书

一种集成化金刚石NV荧光高效激发与收集系统，由532nm激光囚禁球、反光镜、滤波片以及光电转化器组成。其中532nm激光囚禁球底部固定有激光二极管，并由两片凸透镜分别将其产生的激光变为平行光后再次聚光，通过偏振片后聚焦于金刚石上，532nm波长的激光经金刚石反射折射等作用后当其照射于囚禁球的外边缘受到镀膜的作用会全发射再次照射在位于球心出的金刚石上进行高效多次激发；同时金刚石NV受激发所产生的637nm荧光通过囚禁球外边缘的镀膜照射于反射镜上经全反射后经过滤波片被光电转化器收集传至数据采集卡后进入计算机，此种方式开创性的提出新型金刚石NV荧光激发与收集集成方案，并提高了荧光的激发与收集效率，实现了金刚石高效激发的光囚禁技术。

技术领域

本发明属于量子领域与微装配领域，涉及一种金刚石NV荧光激发与收集系统，更具体为一种集成化金刚石NV荧光高效激发与收集系统。

背景技术

荧光是自然界常见的一种发光现象。通常原子核外电子受到激发从基态S0跃迁到激发态S1后，会通过非辐射跃迁的方式快速降落在最低振动能级，随后由最低振动能级回到基态，以光子辐射的形式释放出能量，具有这种性质的出射光称为荧光。

原子陀螺是近几年发展起来的新技术，主要通过激光抽运的方式对目标电子进行极化来感知外部载体转动（自旋极化）。依靠目标原子自旋制成的陀螺具有体积小、灵敏度高等优点，是未来陀螺技术发展的新方向。金刚石氮空位色心（NV色心）陀螺是结合量子操控、量子材料、半导体激光和微纳集成技术提出来的最新型固态原子陀螺，是近几年发展起来的原子陀螺技术，国内外还处于原理验证阶段。NV色心在室温下具有优异的光读出、极化性质以及毫秒量级的相干时间，是目前最成功的自旋磁共振体系之一。

基于NV色心的原子自旋启动时间极短（μs），稳定性高，对磁场和温度的要求低，具有优良的角速率敏感特性，可以实现三个方向的角速率信息测量，互相耦合低；金刚石陀螺具有高灵敏度的潜力，采用目前比较成熟的检测技术，随机游走可达到，满足战术级惯性导航与制导的应用需求，随着金刚石中光抽运技术的快速发展，未来有望达到惯性级的技术指标。

NV色心核磁共振传感作为一类光学读出传感技术，目前的实现手段采用532激光经过一系列光学元件后通过二色镜的反射后通过数值孔径很高的物镜对金刚石NV进行激发并采用靠近金刚石的物镜进行荧光采集后通过二色镜被其后的PD进行采集。这种方式效率低，虽然采用了大数值孔径的物镜，但由于金刚石本身的折射率为2.4，进过计算可以得到荧光的出射角约为24.6度，那么可以得到在共聚焦系统下荧光光子的收集效率为8%，而检测的效率更是不足2%，在信号微弱时，激发的荧光信号非常微弱，物镜收集效率有限，同时在传播过程中光子在镜片上的损耗，当荧光到达光电探测器的时候已经不足以产生光电流信号，共聚焦测量已经满足不了系统的测量需求。并且未来的NV色心核磁共振作为传感来使用不可避免的需要进行集成化，所以集成化是大势所趋，如何在不降低其激发与收集效率的同时进行集成化一直是研究的热点，单纯的减小光学元件的尺寸以便进行集成化难以满足实现真正的集成化同时难免降低了激发与收集效率，这就需要一种新型的集成化激发与采集方案。

发明内容

本发明的目的是为了实现金刚石NV荧光激发与收集系统的集成化，并且提高金刚石NV荧光激发与收集效率。

本发明巧妙的利用了光学滤波镀膜技术以及透明凝固液体浇筑技术进行了集成化设计以及微装配的实现。并将顶部具有大角度反射作用回避囚禁球的反射镜与532nm激光囚禁球结合，实现了对金刚石NV的高效激发与采集。

为了达到上述目的，本发明实现目的采用的技术方案为：