[发明专利]一种提高金刚石带负电NV色心检测信噪比的方法

说明书

一种提高金刚石带负电NV色心检测信噪比的方法，通过在金刚石带负电NV色心传感测量的检测过程中采用指数脉冲波形激光作为检测脉冲代替传统方波脉冲来检测金刚石带负电NV色心，能够抑制光子散粒噪声，从而提高检测信噪比。

技术领域

本发明涉及原子自旋效应量子传感测量技术，特别是一种提高金刚石带负电NV色心检测信噪比的方法，通过在金刚石带负电NV色心传感测量的检测过程中采用指数脉冲波形激光作为检测脉冲代替传统方波脉冲来检测金刚石带负电NV色心，能够抑制光子散粒噪声，从而提高检测信噪比。

背景技术

基于原子自旋效应量子传感测量研究已经成为传感测量领域中至关重要的发展方向之一。在原子自旋效应量子传感测量中，金刚石内的氮-空位色心(Nitrogen-Vacancy，NV)是应用最为广泛的。NV色心作为金刚石多种色心的一种，最早发现于上世纪70年代，但利用NV色心进行科学研究和量子传感却只有十几年的发展历程。随着对金刚石NV色心性质研究的不断深入，目前国际上已经有超过一百个研究小组在利用NV色心开展磁场、温度、压力以及生物磁成像等领域的研究工作。金刚石的NV色心传感测量的研究主要包括激光极化、微波操控和荧光检测等，NV色心自旋的检测信噪比的高低决定了读出精度。由于光子散粒噪声的影响，目前现有的检测方法并不能很好的抑制此噪声，无法满足某些微小型高灵敏度量子传感测量应用需要，且低信噪比对后期信号处理及应用造成了很大影响。有许多测量应用都利用了电子自旋包括磁场测量、温度测量、核磁共振和神经科学，这些应用程序依赖于自旋项目的有效检测。

发明内容

本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种提高金刚石带负电NV色心检测信噪比的方法，通过在金刚石带负电NV色心传感测量的检测过程中采用指数脉冲波形激光作为检测脉冲代替传统方波脉冲来检测金刚石带负电NV色心，能够抑制光子散粒噪声，从而提高检测信噪比。

本发明的技术方案如下：

一种提高金刚石带负电NV色心检测信噪比的方法，其特征在于，包括在金刚石带负电NV色心传感测量的检测过程中采用指数波形脉冲激光作为检测脉冲照射金刚石样品中的带负电NV色心以抑制光子散粒噪声来提高金刚石带负电NV色心的检测信噪比。

所述检测信噪比通过以下公式确定：

式中SNRsimple为所述检测信噪比，Smax为所述带负电NV色心的电子全部布居在基态的自旋投影量子数m_s＝0时雪崩光电二极管APD从所述带负电NV色心接收到的荧光光子数，Smin为所述带负电NV色心的电子全部布居在基态的自旋投影量子数m_s＝±1时雪崩光电二极管APD从所述带负电NV色心接收到的荧光光子数。

当m_s＝0时，所述Smax代表荧光信号功率最强，当m_s＝±1时，所述Smax代表荧光信号功率最弱。

当荧光信号到达所述雪崩光电二极管APD被吸收时，所述雪崩光电二极管APD在每个时间点收集的荧光光子数满足泊松分布，所述泊松分布的期望值等于方差，即所述近似等于所述为标准检测信噪比SNR，σ_max代表荧光信号最强时对应的荧光信号标准差，σ_min代表荧光信号最弱时对应的荧光信号标准差。

所述指数波形脉冲具有以下函数表达式：

式中power(t)为检测激光功率，t为时间，a为波形初始功率，b为波形结束功率，T为脉冲宽度，a＞b。

所述指数波形脉冲激光采用波长短于零声子线ZPL的637nm脉冲激光。