[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

说明书

本发明公开了一种侧边收集与共振增强的NV色心荧光测量结构，包括激发结构，荧光增强结构和荧光探测结构。激发结构通过光纤耦合器、准直器、透镜、反射镜、物镜将使532nm激光聚焦到固定在天线结构上的金刚石样品上。荧光增强结构包括FP谐振腔和荧光侧边收集结构，FP谐振腔实现可调谐地增强发射体的自发辐射速率,增强零声子线的荧光强度；荧光侧边收集结构通过侧面设计TIR边波导，实现对侧边荧光的收集，有效提高荧光收集效率。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。本发明通过FP谐振腔和荧光侧边收集结构的结合，实现NV色心较高的荧光发射率和较高的荧光收集效率。

技术领域

本发明属于量子系统和量子传感领域，具体涉及一种侧边收集与共振增强的NV色心荧光测量结构。

背景技术

1977年，德国Wrachtrup研究小组首次观测到金刚石NV色心的自旋共振磁信号，之后这一发现便引起了科学家对金刚石NV色心的广泛关注。金刚石NV色心是固体的一种发光缺陷，具有稳定的荧光特性、较长的相干时间和弛豫时间等优良特性。作为一种新型的量子系统，它可以通过激光进行极化和荧光读出，也可以通过微波对自旋态进行操纵。因金刚石NV色心容易受到周围环境因素的影响，可以应用于量子传感领域，进行角速度、磁场、电场、温度等物理量的测量。

目前国内外对金刚石NV色心测量的研究已取得较好的研究成果，而对荧光发射率和荧光收集效率的优化却还不够深入，大部分NV色心测量结构激发出来的荧光信号较弱，且荧光收集效率受金刚石-空气界面的全内反射TIR的限制。

因此一种侧边收集与共振增强的NV色心荧光测量结构，实现NV色心较高的荧光发射率和较高的荧光收集效率，具有重大的发展前景。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种侧边收集与共振增强的NV色心荧光测量结构，可同时实现NV色心较高的荧光发射率和较高的荧光收集效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种侧边收集与共振增强的NV色心荧光测量结构，包括激发结构、荧光增强结构、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谐振腔实现可调谐地增强发射体的自发辐射速率,增强零声子线的荧光强度；荧光侧边收集结构通过侧面设计TIR边波导，实现对侧边荧光的收集，有效提高荧光收集效率，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。

可选的，荧光增强结构包括FP谐振腔和荧光侧边收集结构。FP腔通过将金刚石样品限制在FP腔内，可增强光-物质相互作用，实现自旋-光子耦合，有效提高NV色心荧光的发射率；荧光侧边收集结构在金刚石侧面设计TIR边波导，避免金刚石内色心产生的荧光中大部分全反射达到样品侧边，实现对侧边荧光的收集，实现有效提高荧光收集效率。

可选的，NV色心的光谱主要包括两部分，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