[发明专利]一种色心金刚石陀螺

权利要求书

1.一种色心金刚石陀螺，其特征在于：分为样品腔（17）、激光腔（18）和探测腔（19）三个部分；其中：

所述的样品腔（17）中包括高浓度氮原子-空位(NV^-)色心金刚石材料（1）作为核心敏感元件，材料中NV^-色心浓度达10¹⁸/cm³以上，厚度大于150μm，尺寸大于1×1mm²，粘接于玻璃基底（2）上，其位置位于第一RF线圈（3）和微波天线（9）的中心处，RF线圈是由第一RF线圈（3）和微波天线（9）两个线圈组成的赫姆赫兹线圈，玻璃基底（2）粘接于镜面（4）上，后者镀多层介质膜用以反射637nm波长的荧光，包括4块高灵敏面阵CCD（5、6、7、8）用于检测637nm荧光，每一块面阵CCD前均粘接一块滤波片，该滤波片可透过637nm荧光，截止波长大于532nm，第一RF线圈（3）粘接与镜面（4）的内表面，而第二RF线圈（10）粘接于一块平凸透镜（11）的表面，该透镜的焦点聚焦于色心金刚石材料（1）放置位置中心略靠后的位置，使532nm激光会聚照射在色心金刚石材料（1）中心处1mm直径的圆上，色心金刚石材料（1）的周围为由直径20μm铜线组成的微波天线（9），微波天线（9）加工于玻璃基底（2）上，微波天线（9）的底部为正方形，在色心金刚石材料（1）中间区域处产生均匀的微波场；

所述的激光腔（18）包括一个垂直腔面发射半导体激光器即VCSEL激光器（13），发出的532nm激光通过底面的偏振窗口(20)入射至腔内的二向色镜（12）上，偏振窗口（20）内嵌一个偏振镜；二向色镜（12）呈45度放置粘接于激光腔（18）内，532nm激光入射后反射至样品腔（17）中，从样品腔（17）中发出的荧光入射到二向色镜（12）后投射进入探测腔（19）中；

所述的探测腔（19）包括滤波片（14），会聚透镜（15）和第五高灵敏面阵CCD（16），滤波片截止波长大于532nm可阻断532nm光同时透过637nm光；会聚透镜（15）将637nm荧光会聚于焦面，即第五高灵敏面阵CCD（16）所在位置处，第五高灵敏面阵CCD（16）在637nm附近具有响应峰值。

2.根据权利要求1所述的色心金刚石陀螺，其特征在于利用VCSEL激光器（13）的偏振特性实现激光的快速开关，根据激光时序调整输入VCSEL激光器（13）的输入电流，使其输出激光的偏振方向发生变化，从而使得通过偏振窗口（20）的激光强度发生变化，实现激光脉冲时序的产生。

3.根据权利要求1所述的色心金刚石陀螺，其特征在于，使用时按照以下时序完成一次角速度的测量：

（1）、初始化阶段：启动电源，输出一个激光脉冲初始化NV^-色心电子自旋；通过微波天线（9）输入一个微波脉冲初始化NV^-色心氮原子核自旋，微波频率约等于2.87GHz，脉冲时间t_pol=1.5μs；再次输入一个激光脉冲重新初始化NV^-色心电子自旋；

（2）、测量阶段：输入射频磁场脉冲，脉冲频率4.95MHz，脉冲时长为半个核自旋的拉比振荡周期即π脉冲；让体系自由演化t_m时间，t_m小于NV^-色心氮原子核自旋的横向弛豫时间T₂；再输入一个时长为π射频磁场脉冲；

（3）、读出阶段：输入微波脉冲，脉冲时长为半个NV^-色心电子自旋的拉比振荡周期即π脉冲；第一个脉冲后间隔时间t_i=1/2A再输入一个π脉冲，A为电子自旋与核自旋的耦合系数，为2.2MHz；输入微波脉冲后输入一个激光脉冲进行电子自旋的检测，读出信号。