[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

说明书

本发明公开一种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，此装置将光悬浮微型颗粒高速旋转技术应用到金刚石中氮‑空位色心固态原子自旋角速度测量系统中，对测量系统进行整体设计，通过光悬浮微型颗粒实现NV色心自旋相对系统部件的独立悬浮旋转，本发明将悬浮激光偏振角动量转化为微型颗粒旋转角动量，进而转化为NV色心几何相累积的，从而实现对微型颗粒质心运动、旋转运动和NV色心几何相三种信号的同步实时检测。同时，本发明中的主要光学器部件均采用光纤式设计，提高了本发明装置的可拓展性、可靠性和便携性。本发明将有利于拓展基于固态原子自旋几何相角速度测量装置在微小型集成化等方面的研究和应用。

技术领域

本发明涉及固态原子自旋、光悬浮技术和角速度测量领域，具体涉及一种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。

背景技术

凭借量子传感技术超越经典测量极限的突出优势，基于原子自旋及量子效应的角速度测量装置正处于蓬勃发展阶段。为了能够满足微小型应用场景的需求，研究者们将目光聚焦于无需承载腔室且自旋密度较大的固态原子自旋材料。近年来，基于固态原子自旋的角速度测量方案已逐渐得到重视，其中发展最为迅速的固体自旋材料为金刚石内嵌氮-空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心，一般可通过检测NV色心在旋转过程中累积的自旋几何相来实现高精度角速度测量。由于NV色心量子传感系统离不开光学激发检测和微波操控等系统部件的联合装配，因此，传统的角速度测量技术方案只能通过将含有NV色心的固体自旋样品与系统部件固连的形式在高速转台上实现整体旋转，从而进行转动试验测量角速度。通过此种方式测得的角速度容易受到与样品相连的系统部件的干扰，并不能反映NV色心的固体自旋样品真实的角速度，测量精度低。同时，因为系统部件仅能在低速范围内转动，这种测试方式还对高速转台的转速和体积提出了更高要求，进而限制了待测角速度仅能局限在较小的测量范围内，也使得现有系统难以向小型化便携式的方向发展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种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，通过将光悬浮技术应用在固态原子自旋角速度测量方案中，进而将圆极化悬浮激光的自旋角动量转化为NV色心所在颗粒的空间旋转角动量，实现NV色心不依赖于高速转台的独立旋转运动，使得测得的角速度准确性更高，测量范围更广。同时，通过将各主要光学器部件设计为光纤型器件，进一步提高角速度测量装置的实用性和可拓展性。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，该装置用于测量二氧化硅微型颗粒的光悬浮角速度，所述二氧化硅微型颗粒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，以及位于所述真空腔内的聚光透镜组、微波天线；

所述微波天线对准所述二氧化硅微型颗粒，且所述微波天线通过微波线缆连接位于所述真空腔外的微波系统；

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

所述出射光路上，真空腔、第一分束器、第二分束器、第二光纤型λ/4可调波片和偏振分束器依次通过光纤连接；荧光探测器、质心探测器、差分探测器分别通过光纤与第一分束器、第二分束器、偏振分束器一一对应连接，荧光探测器、质心探测器、差分探测器与数据处理与分析系统连接；荧光探测器上还设置有滤波片；

所述数据处理与分析系统采集质心探测器和差分探测器探测结果确定颗粒悬浮状态，再通过荧光探测器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。

进一步地，为了实现激光与二氧化硅微型颗粒的悬浮效果，所述微型颗粒的尺寸在100-1000 nm范围内。