[发明专利]基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法

权利要求书

1.一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，该装置用于测量二氧化硅微型颗粒（8）的光悬浮角速度，所述二氧化硅微型颗粒（8）上生长含有均匀分布取向一致的NV色心金刚石薄膜；

该装置包括入射光路、出射光路、真空腔（6），以及位于所述真空腔（6）内的聚光透镜组（7）、微波天线（9）；

所述微波天线（9）对准所述二氧化硅微型颗粒（8），且所述微波天线（9）通过微波线缆（10）连接位于所述真空腔（6）外的微波系统（11）；

所述入射光路上，悬浮激光器（1）、第一光纤型λ/4可调波片（3）、合束器（4）、真空腔（6）依次通过光纤连接，激发激光器（5）也通过光纤连接合束器（4）；所述聚光透镜组（7）的中心位于所述入射光路上，测量时二氧化硅微型颗粒（8）放置在所述聚光透镜组（7）的中心，所述聚光透镜组（7）用于将所述合束器（4）输出的合束激光聚焦到所述二氧化硅微型颗粒（8）上以实现所述二氧化硅微型颗粒（8）的悬浮和激发；

所述出射光路上，真空腔（6）、第一分束器（12）、第二分束器（13）、第二光纤型λ/4可调波片（14）和偏振分束器（15）依次通过光纤连接；荧光探测器（17）、质心探测器（18）、差分探测器（19）分别通过光纤与第一分束器（12）、第二分束器（13）、偏振分束器（15）一一对应连接，荧光探测器（17）、质心探测器（18）、差分探测器（19）与数据处理与分析系统（20）连接；荧光探测器（17）上还设置有滤波片（16）；

所述数据处理与分析系统（20）采集质心探测器（18）和差分探测器（19）探测结果确定颗粒悬浮状态，再通过荧光探测器（17）得到二氧化硅微型颗粒的NV色心荧光信息从而解算出相应旋转角速度信息；

光悬浮角速度的具体测量方法如下：

调整第一光纤型λ/4可调波片（3），使二氧化硅微型颗粒（8）实现高速旋转，根据质心探测器（18）和差分探测器（19）探测结果确定颗粒悬浮状态，并解算出初步旋转信息；实时调整悬浮激光器（1）和激发激光器（5）的功率以及第一光纤型λ/4可调波片（3）的参数，待质心探测器（18）和差分探测器（19）两者信号稳定后，改变微波系统（11）的操控脉冲形式，通过荧光探测器（17）得到二氧化硅微型颗粒的NV色心累积的几何相Φ，根据Φ=ωt，计算得到二氧化硅微型颗粒（8）的旋转角速度ω；其中，t为作用时间。

2.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述二氧化硅微型颗粒（8）的尺寸在100-1000 nm范围内。

3.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述滤波片（16）为带通滤波片，波长透射范围为600-800 nm。

4.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述悬浮激光器（1）的工作波长为1565 nm，所述激发激光器（5）的工作波长为532nm。

5.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述入射光路和出射光路共轴，所述聚光透镜组（7）的中心位于所述入射光路和出射光路的轴线上。

6.根据权利要求5所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述聚光透镜组（7）包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和第二透镜相对而设，焦点重合，所述二氧化硅微型颗粒（8）位于所述第一透镜和第二透镜的焦点处；

其中，所述第一透镜的中心轴与所述第二透镜的中心轴与所述入射光路、出射光路共轴，且所述第一透镜靠近所述合束器（4）设置，所述第二透镜靠近所述第一分束器（12）设置；

所述第一透镜用于将所述合束器（4）经所述入射光路的光纤输出端输出的合束激光聚焦到所述二氧化硅微型颗粒（8）上以实现所述二氧化硅微型颗粒（8）的悬浮和激发；所述第二透镜用于收集所述二氧化硅微型颗粒（8）透射的合束激光以及激发所述二氧化硅微型颗粒（8）所产生的荧光并传输给所述出射光路。