[发明专利]一种基于Aharonov‑Anandan几何相的金刚石色心陀螺仪及角速度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及磁共振技术领域，尤其是一种基于Aharonov-Anandan几何相的金刚石色心陀螺仪及相应的角速度测量方法。

背景技术

陀螺仪是一种用于测量角速率或角度的传感器，主要用于惯性导航、姿态控制等领域。陀螺仪的种类繁多，按照工作原理可分为机械转子陀螺、光学陀螺、微机电(MEMS)陀螺和量子陀螺等类型。目前，小型化是陀螺仪的发展方向之一，小型化的陀螺能带来一些新的应用，比如目前比较常见的一种小型化陀螺是基于微机电技术的MEMS陀螺，该陀螺已经被广泛的应用在手机、平板电脑等消费类电子产品上，但MEMS陀螺的主要缺点是，主要依靠电容来读出信号，灵敏度很难提高。另外一种小型化陀螺是基于金刚石色心体系的NV陀螺，该陀螺的灵敏度高于MEMS陀螺。

NV(nitrogen vacancy)色心是金刚石的一种缺陷，它是由一个取代碳原子的氮原子和氮原子邻近的一个空位组成的。NV色心具有顺磁性，可以利用磁共振技术来操纵电子自旋，并使用激光来初始化和读出电子的自旋状态。NV色心在量子计量方面有着重要的潜在应用，它可以在纳米尺度上对于弱磁信号进行测量，也可以用来探测旋转。

目前基于NV色心的陀螺仪解决方案主要有三种：一种是基于NV中氮核自旋的方案，具体可参考文献：Physical Review A 86，062104(2012)Stable three-axis nuclear-spin gyroscope in diamond，该方案利用氮核自旋的量子态来累积与旋转有关的相位，但其在对氮核自旋的极化过程中需要强的交变磁场，功耗较大；另一种是基于NV电子上Berry相的方案，具体可参考文献：Physical Review A 86，052116(2012)Gyroscopes based on nitrogen-vacancy centers in diamond，该方案结构简单，但其对磁场的稳定性提出了苛刻的要求，若要使该陀螺仪保持理论上0.31度/秒的分辨率，则在测量过程中磁场的波动需要保持在3×10^-10高斯以内；第三种是基于non-Abelian几何相的方案，具体可参考文献：Physical Review A90，042116(2014)Non-Abelian geometric phase in the diamond nitrogen-vacancy center，该方案通过施加静磁场来实现|0＞与|±1＞之间的能级简并，进而利用简并能级来观测non-Abelian几何相，但由于受NV中氮核自旋的影响，该方案很难做到理想简并，因此对于实验精度的影响较大。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于NV电子上Aharonov-Anandan几何相的陀螺仪及相应的角速度测量方法，以利用Aharonov-Anandan几何相来获得角速度。

根据本发明的一方面，提出一种基于Aharonov-Anandan几何相的金刚石色心陀螺仪，该陀螺仪包括：反射镜、永磁铁、衬底、金刚石样品、第一微波线圈、第二微波线圈、多个面阵CCD、多个滤波片、第三微波线圈、第一凸透镜、激光器、偏振片、二向色镜和第二凸透镜，其中：所述反射镜安装在所述陀螺仪的底部，用于反射从金刚石样品发射出并到达底部的荧光；所述永磁铁安装在所述反射镜上，用于产生磁场，以使电子自旋产生能级分裂；所述衬底粘结在永磁铁上；所述金刚石样品、第一微波线圈和第二微波线圈固定放置在所述衬底上，且所述第一微波线圈和第二微波线圈嵌套于所述金刚石样品的外侧；所述陀螺仪下部的四壁上分别设有四个面阵CCD，每个面阵CCD朝向所述金刚石样品的一侧均设有滤波片；所述面阵CCD远离底部的一端架设有第三微波线圈；所述第三微波线圈的底部固定设有第一凸透镜；所述陀螺仪的一中部器壁上固定设有激光器，用于产生激光；所述激光器的出光处设有偏振窗口，所述偏振窗口中设有偏振片，用于产生高偏振度的激光；所述激光器的前方斜设有二向色镜；所述中部器壁的顶端架设有滤波片，用于过滤背景光；所述滤波片朝向顶部的一侧粘结有第二凸透镜，用于汇聚从底部发出的荧光；所述陀螺仪的顶部设有第五面阵CCD。

可选地，所述衬底采用无荧光特性且无磁性材料。

可选地，所述第一微波线圈产生具有第一频率f1的微波，所述第二微波线圈产生具有第二频率f₂的微波。

可选地，所述第三微波线圈能够相对于所述金刚石样品旋转，并产生具有第三频率f₂的微波。