[发明专利]一种基于NV色心的金刚石应力测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于NV色心的金刚石应力测量系统及方法，包括光学激发单元、荧光收集单元、光电脉冲控制与数据分析单元、软件控制单元；光学激发单元将发出的激光通过光学部件聚焦于荧光收集单元，所述光电脉冲控制与数据分析单元包括激光源、微波信号源和脉冲发生器，脉冲发生器通过两路同步脉冲信号控制系统的协同运作，其中第一路信号用作激光源的外部触发，第二路信号提供给微波信号源；同时光电脉冲控制与数据分析单元对收集到的荧光强度信息进行数据分析，绘制光学探测磁共振谱，完成对待测金刚石应力大小的高分辨率测量计算，该测量系统及方法成本低且操作简便，能直接利用金刚石磁传感设备，可适用于指导NV色心磁传感器的设计和优化。

技术领域

本发明属于量子传感技术领域，具体涉及一种基于NV色心的金刚石应力测量系统及方法。

背景技术

金刚石中的氮-空位色心（NV色心）是一种重要的量子传感器，在微波电磁场成像、温度测量等领域有广泛的应用。制备NV色心需要用到人工合成金刚石技术，而金刚石晶体在生长过程中，会出现应力分布不均的情况，这种固有的应力不均匀性会不均匀地改变NV基态共振频率，破坏NV自旋退相干时间，造成对磁成像敏感度的限制。因此，为了优化NV色心磁场成像，有必要对金刚石的应力分布进行测量。

传统的应力测量方法主要分为两大类：机械法和物理检测法。机械法测量应力一般是将待测部分从构件中分离或切割出来，使应力释放，然后测量其应变的变化求出应力，主要包括钻孔法、取条法等。由于该类方法测量应力会对待测器件造成不可避免的破坏和损伤，因此不适合用于对金刚石量子传感器的应力测量。而物理检测法一般是通过材料受应力作用产生形变等效应，依据其与所受应力大小的关系，通过谱线等手段通过测量其他物理量推出局部应力大小。该类方法为无损测量，但成本及技术要求较高，且特定方法只适用于某类材料。例如，X射线衍射法和中子衍射法的依据是晶体不同晶粒的同族晶面面间距随晶面方位及应力的大小发生有规律的变化，从而使X射线或中子束衍射谱线发生位偏移，因此只适用于晶体应力的测量；Stoney公式法的原理是镀有薄膜的基底在薄膜残余应力的作用下会发生挠曲，可通过激光干涉仪或者面轮廓仪测出挠曲的曲率半径从而反映薄膜残余应力的大小，因此只适用于测量薄膜应力；磁测法是利用铁磁材料的磁致伸缩效应将应力的变化转化成可以测量的电量（如电压） 来测量应力，因此只适用于铁磁性材料；超声波法则是利用受应力材料中的声双折射现象，通过有无应力时超声波在各向同性弹性体内传播速度的不同来测量残余应力，只能检测构件的表面应力，所研究的对象主要是金属材料中的钢铁和铝制品。

而金刚石中的点缺陷NV色心，由于其电子自旋能级分布对所受应力敏感的特性，有潜力对所处局部应力大小进行测量。由于NV色心同时也作为磁传感单元，因此能够与磁成像设备合为一体进行无损应力测量。测量原理是依靠应力场影响下NV色心简并能级ms=±1的微弱劈裂，利用光探测磁共振（ODMR）技术测量出分裂子能级间的能极差，继而通过推算得到该点局部应力大小。

保证无损、尽可能降低成本及无需施加额外射线是量子磁传感器中金刚石探头应力测量的关键因素。因此，本发明利用金刚石中所含的作为磁传感单元的NV色心对其应力测量进行进一步研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，利用金刚石NV色心零磁场下自旋能级和局部应力场敏感的特性，结合光学探测磁共振技术，提出了一种金刚石表面应力场由于人工生长而分布不均的高分辨率探测方法，可适用于指导NV色心磁传感器的设计和优化。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案如下：