[发明专利]一种基于NV色心的光纤磁场传感系统

说明书

本发明提供了一种基于NV色心的光纤磁场传感系统，包括测量探头和测量装置两部分，所述测量探头包括多模光纤、金属套管、金刚石NV色心和镀反射膜的光纤切片；多模光纤的一端设有填充金刚石NV色心的微腔，微腔为F‑P腔型，金属套管套设在多模光纤的设有微腔的一端，金属套管的一端和微腔的一端对齐；镀反射膜的光纤切片的一端和所述微腔的一端固定连接，镀反射膜的光纤切片的另一端镀有反射膜。本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，将金刚石NV色心封装在F‑P腔内，采用光环形器、光隔离器等器件提高系统的集成化和稳定性；采用全光学磁场测量技术，可以广泛应用于特殊环境下，不会受到电磁干扰。

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其是涉及一种基于NV色心的光纤磁场传感系统。

背景技术

光信号在光纤中传播时，外界被测的物理量(如温度、压力、电磁场、振动、核辐射等)将引起光纤中光信号特征参量(光强、波长、相位、偏振态等)的变化。通过检测光信号特征参数变化，可求出待测物理量。随着科学技术的不断发展，光纤传感器已经广泛应用于位移、应变、振动、温度、压力和磁场等领域。相比于其它传感技术而言，光纤传感器具有本质无源、抗电磁干扰、可远距离传输和分布式测量等诸多优势。

弱磁场测量在基础科学研究和工业生产都有重要地位，例如医疗检查、半导体芯片生产、军事设备等都离不开对弱磁场的测量。目前常用的弱磁场测量技术主要有超导量子干涉仪、霍尔磁强计、质子磁力仪等，这些现有技术往往存在设备工作时需要低温环境、核心器件结构复杂、体积较大、设备成本高等问题。例如超导量子干涉仪具有灵敏度高的优点，但其空间分辨率较低，此外在工作时还需液氦/液氮来维持低温环境；霍尔磁强计的灵敏度较低，易受环境温度影响等。

现有基于光纤的磁场测量技术，通常采用对光纤光栅、F-P腔(Fabry-Perotcavity)镀磁致形变材料来实现的。在磁场作用下，磁致形变材料发生形变导致光纤内光信号的波长、相位等改变，通过分析光信号得到磁场信息，但添加的磁致形变材料会产生磁性颗粒污染问题。

近年来，基于NV色心技术的磁探测技术引起了科研人员的关注。以金刚石中的NV色心(nitrogen-vacancy center)为载体，通过对其量子态调控实现磁场的测量，但现有的基于NV色心的磁探测技术往往是采用共聚焦显微镜平台实现的，具有灵敏度高的特点，但也导致仪器体积较大、无法多点测量等问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提出一种基于NV色心的光纤磁场传感系统，通过将金刚石NV色心3封装在F-P腔内，采用光环形器、光隔离器等器件提高系统的集成化和稳定性；解决现有弱磁场探测技术对探测环境的依赖，如温度、电磁干扰等；实现测量探头小型化、具有较高的空间分辨率的同时，且便于加工生产；实现对弱磁场的远距离、多点式测量。

本发明采用的技术方案是：

一种基于NV色心的光纤磁场传感系统，包括测量探头和测量装置两部分，所述测量探头包括多模光纤、金属套管、金刚石NV色心和镀反射膜的光纤切片；所述多模光纤的一端设有填充所述金刚石NV色心的微腔，所述微腔为F-P腔型，所述金刚石NV色心为颗粒状或为所述微腔大小的块状金刚石NV色心；所述镀反射膜的光纤切片的一端和所述微腔的一端固定连接，所述镀反射膜的光纤切片的另一端镀有反射膜，所述金属套管套设在所述多模光纤的设有所述微腔的一端，所述金属套管的一端和所述微腔的的靠近所述镀反射膜的光纤切片的一端对齐。

本发明所述的基于NV色心的光纤磁场传感系统，其中，所述测量装置包括工控机、激光器、光隔离器、光环形器、通信光纤、光电探测器、微波源和天线，所述激光器、所述光隔离器、所述光环形器和所述光电探测器之间通过光纤依次连接，所述光环形器与所述光电探测器相连的一端尾纤内含滤光片或镀有滤光膜；所述工控机用于接收光电探测器信号和控制微波源，所述通信光纤的一端与所述光环形器连接，另一端与所述多模光纤的远离所述金刚石NV色心的一端连接；所述天线的一端与微波源连接，另一端与所述金属套管的靠近金刚石NV色心的一端连接。