[发明专利]一种色心金刚石陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及陀螺的技术领域，具体涉及一种色心金刚石陀螺，对研制新一代基于原子自旋效应的高精度、高稳定、小体积的固态原子陀螺仪有着重要的价值，将服务于未来民用及军用各领域的小型低成本惯性导航和姿态测量系统。

背景技术

随着微电子机械加工技术的不断进步，以MEMS陀螺为代表的一类低成本陀螺仪开始进入人们生活的每个角落，从手机、平板电脑到汽车等人们的日常生活用品中开始越来越多的用到了利用陀螺仪的姿态测量及惯性导航系统。另外，在国防技术方面，需要更多的低成本但仍保持一定精度的陀螺仪应用于各类战术武器平台和弹药中，采用体积更小、成本更低的陀螺仪代替目前价格相对来说仍然较贵的光学陀螺仪。

目前惯性导航系统使用的各类陀螺仪中，激光陀螺和光纤陀螺漂移可达0.001°/h，但单个陀螺仪成本在数十万；MEMS陀螺仪成本仅几百元，灵敏度可做到0.05°/h^1/2，但是漂移通常为几度甚至十几度每小时，几分钟之内就不能继续用于惯性导航。因此目前急需探索具有MEMS陀螺仪的成本和光学陀螺仪精度的新型陀螺仪。随着原子光子领域的重大科学发现与技术突破，目前国内外都在探索基于量子力学的原子陀螺仪，主要包括核磁共振陀螺仪、无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋陀螺仪、冷原子干涉陀螺仪，以期在使现有陀螺仪各方面性能有重大提升。

目前研究中的原子陀螺仪多基于气体原子，由气体原子间相互碰撞以及气体原子与原子气室壁相互碰撞而引发的弛豫难以克服，而采用光学方法测量使得原子气室的制作工艺成为限制此类陀螺仪理论精度提高的关键因素。采用固体材料利用其中的原子自旋进行惯性测量则可以避免因碰撞而产生的弛豫，另外固体材料可以提升材料中原子自旋密度，从而提高信噪比。

近年来，内含NV^-色心的金刚石材料在量子计算、量子测量等领域的应用不断引起研究人员的关注。采用NV^-色心中的电子自旋与核自旋可以实现空间旋转的测量。通过离子辐照后的金刚石材料中的NV^-色心可达10¹⁸cm^-3的密度，通过微波和射频场实现核自旋的极化，利用核自旋旋磁比小的特点，可以有效的降低磁场、温度波动、材料表面张力等引入的误差，大大提高陀螺的稳定性指标。利用核自旋和电子自旋之间的耦合作用，可将核自旋布居数写入电子自旋布居数，从而实现高效读出。利用NV^-色心氮原子核自旋进行惯性测量，可实现随机游走优于0.05°/h^1/2mm³的高稳定性固体原子陀螺仪，同时具有小体积、低成本的特点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种基于金刚石内NV^-色心氮原子核自旋的色心金刚石陀螺，具有可比拟于MEMS陀螺的成本，同时具有接近光学陀螺仪的精度。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种色心金刚石陀螺，其特征在于：分为样品腔、激光腔和探测腔三个部分；其中：

所述的样品腔中包括高浓度氮原子-空位(NV^-)色心金刚石材料作为核心敏感元件，材料中NV^-色心浓度达10¹⁸/cm³以上，厚度大于150μm，尺寸大于1×1mm²，粘接于玻璃基底上，其位置位于第一RF线圈和微波天线的中心处，RF线圈是由第一RF线圈和微波天线两个线圈组成的赫姆赫兹线圈，玻璃基底粘接于镜面上，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线圈粘接与镜面的内表面，而第二RF线圈粘接于一块平凸透镜的表面，该透镜的焦点聚焦于色心金刚石材料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中心处1mm直径的圆上，色心金刚石材料的周围为由直径20μm铜线组成的微波天线，微波天线加工于玻璃基底上，其底部为正方形，在色心金刚石材料中间区域处产生均匀的微波场；

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