[发明专利]一种侧边收集与共振增强的NV色心荧光测量结构

权利要求书

1.一种侧边收集与共振增强的NV色心荧光测量结构，其特征在于：包括激发结构、荧光增强结构和荧光探测结构；激发结构包括532nm的固体激光器，发出的532nm激光通过光纤耦合器、准直器、透镜、反射镜、物镜聚焦到固定在天线结构上金刚石样品上；荧光增强结构包括FP谐振腔和荧光侧边收集结构，FP谐振腔调谐地增强发射体的自发辐射速率；荧光侧边收集结构通过侧面设计TIR边波导，收集侧边荧光；荧光探测结构包括滤波片和光电探测器，光电探测器放置在荧光的聚焦点上。

2.根据权利要求1所述的一种侧边收集与共振增强的NV色心荧光测量结构，其特征在于：当入射到金刚石-空气界面的荧光入射角度小于临界角时荧光进入到FP腔，FP腔FP谐振腔调谐地增强发射体的自发辐射速率；当入射角度大于临界角时，荧光侧边收集结构在金刚石侧面设计TIR边波导，收集金刚石内色心产生的侧边荧光。

3.根据权利要求2所述的一种侧边收集与共振增强的NV色心荧光测量结构，其特征在于：NV色心的光谱包括两部分，靠近637nm的线宽较窄的零声子线ZPL光谱和线宽较宽的声子边带PSB光谱，二者关系由P_ZPL表征，即使样品在合适的基底和低温条件下，ZPL光谱带占比也较低；

其中I_ZPL为零声子线ZPL光谱对应的光强，I_PSB为声子边带PSB光谱对应的光强，dλ为光波长的微分；

当在不存在共振腔的自由空间中，NV色心光学跃迁的总退相位速率可由ZPL自发辐射跃迁速率，PSB跃迁和非辐射衰减速率，以及纯退相位速率表征；

v_total＝v_zpl+v_psb+v_dc+v_dp

其中，v_total为色心光学跃迁总退相位速率，v_zpl为自由空间的自发辐射ZPL跃迁速率，v_psb为PSB跃迁速率，v_dc为非辐射衰减速率，v_dp为纯退相位速率；

当含均匀介质的FP腔与所需自发辐射跃迁共振时,自发辐射速率得到改善，增强倍数用N来表征；

其中，k_r为共振腔增强后的辐射速率，λ为自由空间传播相应的光波长，n_fp为腔内介质折射率，Q为腔质量因子，V_fp为腔模体积。

4.根据权利要求2所述的一种侧边收集与共振增强的NV色心荧光测量结构，其特征在于：荧光侧边收集结构通过侧面设计TIR边波导，当入射到金刚石-空气界面的荧光入射角度小于临界角时荧光进入到FP腔并通过荧光侧边收集结构，到达后面的光电探测器；当入射角度大于临界角时，荧光从金刚石侧面出射，通过荧光侧边收集结构汇聚到光电探测器。

5.根据权利要求1所述的一种侧边收集与共振增强的NV色心荧光测量结构，其特征在于：532nm的固体激光器是整个光路的光源，发出的激光通过光纤耦合器、准直器、透镜以及反射镜后，通过数值孔径很高的物镜聚焦到固定在天线结构上的金刚石样品中，其中，金刚石样品和天线结构之间存在一层很薄的反射膜，通过物镜的激光无阻碍地聚焦在金刚石样品，而金刚石样品激发出的波长在650nm-850nm的荧光却会被反射进由FP谐振腔和荧光侧边收集结构组成的荧光增强结构；最后通过荧光增强结构的荧光会聚焦在光电探测器上，其中探测器与荧光增强结构之间的滤波片会滤除杂散光。