[发明专利]原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统

说明书

本发明公开了一种原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统，包括探头，所述探头包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上表面中部加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底上表面生长一层覆盖NV色心波导的金刚石折射率匹配层作为反射膜，所述金刚石衬底上表面加工微带天线阵列，所述微带天线阵列延伸有微带天线端口，所述微带天线端口连接微波源，所述微带天线阵列上表面镀有磁性纳米薄膜。本发明采用内嵌NV色心的波导的金刚石衬底作为敏感单元，利用激光实现电子能级跃迁，通过扫描微波，温度探头内的磁性纳米薄膜感受外界温度会产生与温度大小相关的磁场，通过荧光强度谱线两个峰值对应的微波频率的差值来对温度进行标定，实现温度的超高精度测量。

技术领域

本发明涉及量子传感领域，具体是一种基于金刚石NV色心量子自旋效应的温度噪声超高精度测试标定系统。

背景技术

随着电子、医疗、通讯、航空航天行业的技术的飞速发展和广泛普及，由此带来的对于加工、实验、测试过程中需要精确测量温度的需求日趋重要，同时也对测量器件在复杂环境中稳定工作提出了更高的要求。目前广泛用于温度测量的传感器工作原理普遍采用：根据金属丝的电阻随温度变化的原理工作的热电阻；两种导体接触在一块，结点处会有一个稳定的电动势。同一导体，两端温度不同会有一定大小的电动势的热电偶和利用感温液体受热膨胀原理工作的液体温度计。

因此，开发一种环境适应性强，应用范围广的传感器十分必要。

发明内容

本发明目的是针对固态NV色心金刚石原子自旋效应，提出一种基于平面色心波导、平面微波和射频微带天线、纳米磁性材料的集成芯片级金刚石色心温度噪声超高精度测试标定系统，具有体积小、精度高、温度范围大、操作简单和可持续工作等特性。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种原子自旋传感器的温度噪声超高精度测试标定系统，包括探头，所述探头包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上表面中部加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底上表面生长一层覆盖NV色心波导的金刚石折射率匹配层作为反射膜，所述金刚石衬底上表面加工微带天线阵列，所述微带天线阵列延伸有微带天线端口，所述微带天线端口连接微波源，所述微带天线阵列上表面镀有磁性纳米薄膜；所述金刚石衬底背面加工有光纤端口，所述光纤端口包括激光输入端口和荧光信号输出光电检测端口，所述光纤端口与耦合器的光纤端口连接，且光纤端口中的激光输入端口与耦合器的光纤端口联通，所述光纤端口中的荧光信号输出光电检测端口与耦合器的光纤端口联通；所述耦合器的光纤端口通过光纤与激光器的输出端连接，所述耦合器的光纤端口通过光纤与的光电探测器输入端连接，所述光电探测器的输入端安装滤光片，所述光电探测器的输出端与信号调制器的输入端连接，所述信号调制器的输出端与温度显示器的输入端连接。

工作时，当半导体激光器发出的激光经光纤进入耦合器，经光纤端口和光纤端口到达内嵌NV色心波导的金刚石衬底，激光经NV色心的电子从基态激发到激发态。对于NV色心，在只有外加微波而没有外加磁场时，只有1个荧光强度峰值，外加磁场后，由于塞曼效应和电子自旋，NV色心的能级会发生分裂，从而出现2个荧光强度峰值，而且两个荧光强度的峰值所对应的两个微波频率的差值与磁场强度有着一定的线性关系，通过测量两个荧光强度峰值之间的微波频率差就可以得到外加磁场的磁场强度，外加磁场强度由磁性纳米薄膜感受外界温度后提供。

激光器发出532nm激光，具体温度读取方法如下：

1、使用时，当用532nm的激光辐照NV色心金刚石时，NV色心电子从基态将被激发到激发态，由于NV色心电子激发态特有的激发态能级结构在电子回落到基态时会发出一定强度的荧光。NV色心激发态电子将与微波发生共振并发出600nm～800nm的荧光。NV色心的基态能级为三重态，存在2.87Ghz的零场分裂，即当微波频率为2.87Ghz时NV色心电子能级发生分裂。磁性纳米薄膜在感受到外界某一温度时产生与之对应的磁场，金刚石电子基态能级在微波源2.85～2.89Ghz的扫描下，可以得到NV色心的电子磁共振波谱或超精细能级磁共振共振谱线。