[发明专利]一种固态自旋磁传感器的探头结构

说明书

本发明提供了一种固态自旋磁传感器的探头结构，包括：光波导、固态敏感单元、微波辐射结构和表面处理结构；其中，所述固态敏感单元与所述光波导的接触面的形状尺寸相匹配；所述微波辐射结构设置在所述固态敏感单元周围，与外部微波系统连接以使所述外部微波系统对所述固态敏感单元进行操控；所述表面处理结构至少设置在所述固态敏感单元的表面，将荧光反射至所述固态敏感单元内部。实现了一种具有高荧光收集效率、高稳定性、高集成度以及低成本的探头结构。

技术领域

本发明涉及磁场测量技术领域，更具体地说，涉及一种固态自旋磁传感器的探头结构。

背景技术

在固态自旋体系中，用光学方法进行自旋的极化与状态的读出，可以实现对各种物理量的测量，例如磁与电等。其中，固态自旋的载体又称为固态敏感单元。在多种固态自旋体系中，最著名的是金刚石中的一种点缺陷氮-空位(NV)色心，其电子自旋可以通过激发光进行极化与读出，还能够利用微波信号进行状态的控制，且在室温下仍能保持较长的相干性，可用于制成高灵敏度的传感器。

在这类传感器中，以磁传感器的研究最为广泛。目前，基于NV色心的精密测磁技术主要基于激发光来极化NV色心，并使用微波场对NV色心进行操控，通过读出NV色心受激产生的荧光信号强度变化得到NV色心自旋量子态的布居度，从而能够得到外磁场的强度。基于该原理，对NV色心产生的荧光信号进行收集的效率很大程度上影响着磁场测量的灵敏度。

近年来，基于上述原理的精密磁测量技术快速发展，使用光波导作为光信号传输通路为实现高集成度测磁的潜在方案之一，受到广泛的关注，这类磁传感器的探头结构很大程度上决定了磁传感器的性能。

但是，目前的磁传感器存在探头集成度低且收集效率低等问题。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种固态自旋磁传感器的探头结构，技术方案如下：

一种固态自旋磁传感器的探头结构，所述探头结构包括：光波导、固态敏感单元、微波辐射结构和表面处理结构；

其中，所述固态敏感单元与所述光波导的接触面的形状尺寸相匹配；

所述微波辐射结构设置在所述固态敏感单元周围，与外部微波系统连接以使所述外部微波系统对所述固态敏感单元进行操控；

所述表面处理结构至少设置在所述固态敏感单元的表面，将荧光反射至所述固态敏感单元内部。

可选的，在上述探头结构中，所述光波导为光纤；

所述光纤包括：内芯和包围所述内芯的包覆膜层；

所述内芯的折射率大于所述包覆膜层的折射率大于空气的折射率。

可选的，在上述探头结构中，所述固态敏感单元为含有NV色心的圆柱形金刚石样品；

所述圆柱形金刚石样品与所述内芯的接触面的形状尺寸相匹配。

可选的，在上述探头结构中，所述微波辐射结构为绕制在所述圆柱形金刚石样品表面上的微波线圈。

可选的，在上述探头结构中，所述表面处理结构为设置在所述圆柱形金刚石样品表面上的反射膜层。

可选的，在上述探头结构中，所述光波导为矩形光波导。

可选的，在上述探头结构中，所述固态敏感单元为含有NV色心的立方体金刚石样品；

所述立方体金刚石样品与所述矩形光波导的接触面的形状尺寸相匹配。

可选的，在上述探头结构中，所述微波辐射结构为制作在印制电路板上的环形微波辐射结构；

所述环形微波辐射结构位于所述立方体金刚石样品的附近。