[发明专利]一种基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于电磁场近场成像领域，涉及一种电磁场近场成像系统及方法。

背景技术

随着微波射频技术的不断发展，微波毫米波技术在5G通信、自动驾驶、军事航天、消费电子等方面因其高带宽、小型化、高集成度等优点而成为炙手可热的技术。毫米波近场成像技术在高分辨率目标识别以及手势检测互动等方面都有广阔的应用。对微波毫米波器件的表面电磁场近场分布进行探测并成像对于推广和应用微波毫米波技术有重要的意义。长期以来在微波射频领域，直接对微波毫米波表面的电磁场分布进行直接成像的方法还比较缺乏。本发明提供一种基于金刚石NV色心(Nitrogen Vacancy)的光检测磁共振技术的用于微波毫米波器件的表面局域电磁场分布表征的新方法。

金刚石中的NV(Nitrogen Vacancy)色心在室温下具备良好的光学和电子自旋特性。由于NV色心发出的光子序列为反聚束光子序列，具有良好的二阶关联函数，可以被用做单光子源；NV色心可以发出稳定的荧光，无光学漂白和闪烁效应，通过探测荧光强度可以读出电子自旋态。

目前人们主要通过以下几种方法对微波毫米波器件的近场进行分析：

方法一：通过软件仿真和数值计算方法对微波毫米波器件表面的电磁场近场分布进行推算，常用的软件例如HFSS。方法二：通过传统的黑盒子网络分析仪对微波毫米波器件的S参数进行测量。方法三：采用场强仪配合特制的高频天线对微波毫米波器件的表面进行扫描。方法四：采用高频近场磁场探头对微波毫米波器件的表面进行扫描。

上述目前流行的方法主要存在以下几个问题：1、软件仿真和数值计算方法在对微波毫米波的高频和高集成度芯片进行仿真的情况下，由于电磁场近场的复杂性，软件仿真不可避免的存在一定的失真。2、采用传统的黑盒子网络分析仪对微波毫米波器件的S参数进行测量仅能对器件的外部特征进行测量，说明不了器件的内部电磁场近场分布特征。3、采用场强仪配合特制的高频天线对微波毫米波器件的表面进行扫描的方法，由于特制的高频天线本身的尺寸往往比较大，扫描的精度有限；此外特制的高频天线本身是金属制作的，天线本身对电磁场存在扰动，所测量到的场是不准确的。4、采用高频近场磁场探头对微波毫米波器件的表面进行扫描的方法，由于高频探头本身是基于法拉第电磁感应原理而设计的，高频探头的尺寸最小也在3毫米，相对于微波毫米波芯片的微米级别近场探头还是太大，不能表征芯片表面近场的电磁场详细分布。

在上述技术背景下，针对微波毫米波芯片表面的近场电磁场成像的场景，现有的微波近场成像分析手段均不满足要求。因此，针对微波毫米波芯片表面的近场电磁场成像的场景，现有的微波近场成像分析手段均不满足要求。

发明内容

技术问题：本发明提供一种高分辨率、高灵敏度、对微波场进行非破坏性成像、基于光探测磁共振技术的磁场近场成像系统。

技术方案：本发明基于脉冲光探测磁共振的电磁场近场成像系统，包括用于放置样品的三维位移平台、设置所述三维位移平台上方的金刚石NV色心探头、分别与所述金刚石NV色心探头信号连接的激光泵浦光路和CCD相机单元、设置在所述金刚石NV色心探头一侧并与之连接的微波共振系统、设置在金刚石NV色心探头一侧的可调磁铁、与所述激光泵浦光路、CCD相机单元、微波共振系统分别信号连接的同步系统，所述微波共振系统用以产生施加在金刚石NV色心探头上的微波脉冲信号，所述同步系统用以产生TTL控制信号。

进一步的，本发明系统中，所述激光泵浦光路包括激光发生器、沿所述激光发生器(9)的激光出射路径依次设置的激光滤光片、聚光透镜、AOM声控光开关、光圈、发散光转平行光透镜、反射镜、分光片，所述分光片同时是CCD相机单元的组成部件；

所述微波共振系统包括依次连接的微波信号发生器、单刀双掷开关、微波功放、射频隔离器；

所述金刚石NV色心探头包括云母衬底、放置在所述云母衬底上的微波共振小环天线、设置在所述微波共振小环天线中的的金刚石颗粒，所述微波共振小环天线与射频隔离器连接。

所述CCD相机单元包括沿光线传输路径依次设置的物镜、分光片、滤光片、成像透镜、CCD相机；

所述同步系统包括四路TTL信号发生器，所述四路TTL信号发生器分别引出一路信号通路，其中第一个信号通路的信号连接AOM声控光开关(12)，第二个信号通路的信号连接单刀双掷开关(22)，第三个信号通路的信号连接微波信号发生器(21)，第四个信号通路的信号连接CCD相机(19)的同步端口。

位移扫描平台用以放置被测微波器件并进行X/Y轴平面扫描。