[发明专利]基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备

说明书

本发明公开了一种基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备。该集成化磁力计设备包括激光光源系统、微波产生装置、光电探测装置和具有氮空位色心的金刚石单元，所述激光光源系统的封装壳体上开设有通光孔，所述通光孔用于通过所述封装壳体内的激光器模组产生的激光光束，所述微波产生装置、所述光电探测装置、所述金刚石单元均安装于所述封装壳体的外表面，所述金刚石单元用于同时接收所述激光光束和所述微波产生装置发出的微波，所述光电探测装置用于探测所述金刚石单元激发的荧光。本方案实现了光源、微波源和探测模块三者的集成化，获得小型化、携带方便的磁力计设备。

技术领域

本发明属于固态原子磁强计技术领域，具体地讲，涉及一种基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备。

背景技术

微弱磁场探测在材料科学、生命科学、工程技术等领域有着重要的应用，近年来，随着量子技术的发展，基于金刚石氮空位(NV)色心的磁力计不断应用于磁场测量领域。NV色心是金刚石体内一种特殊的点缺陷，结构稳定，在激光照射和微波辐射作用下，可以实现对金刚石NV色心电子自旋的初始化、操控和测量。基于NV色心的磁力计主要依赖光探测磁共振技术，改变色心所加微波频率的同时，记录色心的荧光强度，最后得出一个荧光强度和微波频率的关系图，即光探测磁共振谱。当所加的微波频率和电子态跃迁频率共振时，色心的荧光强度会下降，因此在磁共振谱上会看到一个波谷。当所加的外磁场变化时，由于塞曼效应，电子状态共振频率位置也会发生变化。根据频移量可以计算出所加的外磁场的大小，因此，可以实现基于NV色心的磁力计，并有着巨大的应用前景。

基于金刚石NV色心的磁力计大多集中于实验平台，没有成熟方案实现磁力计的小型化，不具有可携带性。

发明内容

(一)本发明所要解决的技术问题

本发明解决的技术问题是：如何提供一种便携性、小型化的基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备。

(二)本发明所采用的技术方案

一种基于金刚石的氮空位色心的集成化磁力计设备，所述集成化磁力计设备包括激光光源系统、微波产生装置、光电探测装置和具有氮空位色心的金刚石单元，所述激光光源系统的封装壳体上开设有通光孔，所述通光孔用于通过所述封装壳体内的激光器模组产生的激光光束，所述微波产生装置、所述光电探测装置、所述金刚石单元均安装于所述封装壳体的外表面，所述金刚石单元用于同时接收所述激光光束和所述微波产生装置发出的微波，所述光电探测装置用于探测所述金刚石单元激发的荧光。

优选地，所述微波产生装置包括控制电路板、微波芯片和螺旋电感，所述控制电路板、所述微波芯片和所述螺旋电感、微波芯片均与所述控制电路板电连接，所述螺旋电感用于辐射微波。

优选地，所述螺旋电感位于所述通光孔上方，金刚石单元设置于所述螺旋电感上，且所述螺旋电感上开设有导光孔，所述导光孔用于通过所述激光光束。

优选地，所述金刚石单元设置于所述螺旋电感上，所述金刚石单元的部分边缘伸出于所述螺旋电感之外，且所述部分边缘在位于所述通光孔上方。

优选地，所述光电探测装置包括若干第一光电探测器，所述第一光电探测器固定于所述封装壳体的外表面，且若干所述光电探测器分布于金刚石单元的上方和侧方，以用于探测从金刚石单元的顶面和侧面方向发出的荧光。

优选地，所述光电探测装置包括第一光电探测器和若干棱镜，所述第一光电探测器安装于所述封装壳体的外表面且位于所述金刚石单元上方，若干所述棱镜位于所述金刚石单元的侧面，所述棱镜用于将所述金刚石单元的侧面出射的荧光折射至上方的所述第一光电探测器上。

优选地，所述光电探测装置还包括第一滤波片，所述第一滤波片安装于所述第一光电探测器和所述金刚石单元之间，所述第一滤波片用于阻挡所述激光光束进入所述第一光电探测器，所述激光光束的波长为λ1；所述第一光电探测器用于探测从所述金刚石单元发出的荧光，所述荧光的波长为λ2。