[发明专利]固态原子自旋传感器无磁温控系统

说明书

本发明涉及量子传感领域，具体是一种固态原子自旋传感器无磁温控系统，包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上加工有金刚石NV色心波导（4），所述金刚石衬底上设有覆盖金刚石NV色心波导（4）的多孔磁性PDMS薄膜（3），所述金刚石衬底下表面两侧加工有微带天线阵列（2），所述微带天线阵列（2）连接有微波源。本发明利用MPCVD磁、电约束方法制备了浓度大于10¹⁸cm^‑1的氮元素掺杂金刚石结构，利用微纳加工工艺方法制备了金刚石色心结构，实现了NV色心结构的激发和荧光收集，同时结合电子束加工方法实现了微波天线的共面制造，并通过时序操控方法进行磁场变化信号高信噪比检测，实现温度调制磁场作用，进行磁噪声有效抑制，达到无磁温控目的。

技术领域

本发明涉及量子传感领域，具体是一种基于金刚石氮空位色心的无磁温控系统。

背景技术

近年来，随着原子物理、量子物理技术的不断发展，精密物理测量技术不断传统测量技术极限，基于原子能级磁场作用下的拉莫尔进动磁共振效应，使得物理量测量逐渐逼近理论极限水平，然而原子、量子的基本结构单元在低温环境下才能表现出超高的信噪比，随着温度的上升，电子、光子等结构变得活跃，导致物理测量信噪比严重下降，同时针对热原子技术的原子干涉、原子自旋的物理量测量技术也亟需极其稳定的温度环境来实现原子的高信噪比检测。

然而常规的温控技术多采用电加热、激光加热等技术，温控过程中产生严重的磁噪声，必然会引起原子能级的二阶塞曼效应，引入相位噪声，同时引起基于原子干涉效应测量机理原子相干性波动，导致测试灵敏度下降，因此，针对量子技术的超高精度物理测量技术的应用发展需求，亟需无磁温度技术来不断提高量子技术对物理量测量的能力。

发明内容

本发明目的是利用基于室温单自旋磁控技术，提出一种基于多孔共聚物、金刚石色心、平面微波天线的金刚石色心温度监测和磁补偿系统。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种固态原子自旋传感器无磁温控系统，包括金刚石衬底，所述金刚石衬底上加工有金刚石NV色心波导，所述金刚石衬底上设有覆盖金刚石NV色心波导的多孔磁性PDMS薄膜，所述金刚石衬底下表面两侧加工有微带天线阵列，所述微带天线阵列连接有微波源；所述金刚石衬底下方设有物镜，所述物镜下方设有分光镜，所述分光镜下方设有长波通滤波片，所述长波通滤波片下方设有光电二极管；所述分光镜接收来自于激光器发出的脉冲激光通过物镜射向金刚石上的NV色心波导。

无磁温控原理：利用纳米磁结构复合的多孔共聚物结构在温度变化过程中磁场随之变化特性，通过设置温度调控磁场系数，抵消由于恒温系统控制过程中的磁噪声，来抑制温控过程中的磁噪声。

工作时，通过分光镜将激光器打出的激光脉冲经物镜聚光射向金刚石氮空位色心，激光经NV色心的电子从基态激发到激发态。微带天线阵列通过微波源产生微波使金刚石NV色心感受到多孔磁性PDMS薄膜的磁场变化发出不同的荧光，通过分光镜和长波通滤波片将收激发产生的荧光送入光电二极管，光电二极管收集经过长波通滤波片滤光的荧光信号转变为电信号，将电信号传输湿度显示装置。对于NV色心，在只有外加微波而没有外加磁场时，只有1个荧光强度峰值，外加磁场后，由于塞曼效应和电子自旋，NV色心的能级会发生分裂，从而出现2个荧光强度峰值，而且两个荧光强度的峰值所对应的两个微波频率的差值与磁场强度有着一定的线性关系，通过测量两个荧光强度峰值之间的微波频率差就可以得到外加磁场的磁场强度，外加磁场强度由多孔磁性PDMS薄膜感受外界温度后提供。

激光器发出532nm激光，具体温度读取方法如下：