[发明专利]一种纳米尺度的微波磁场测量方法

说明书

本发明公开了一种纳米尺度的微波磁场测量方法，该方法通过测量BS平移量，并结合设定的序列可以推算出微波磁场的幅度和频率，频率的测量范围可从100MHz到5GHz。相比于以往用线圈、里德堡原子和超导线圈的测量方法，本方法具有纳米尺度的空间分辨率和较高的精度，并且能在室温大气等温和条件下进行测量。相比于基于NV色心用Rabi振荡来测量微波磁场的方法，本方法不需要共振的条件，且能同时测量微波磁场的幅度和频率，并有很高的带宽；本方法具有灵活性和普遍性，不仅适用于色心体系，也能用于其它体系，如冷原子等；因此，上述微波磁场测量方法将会有很多潜在的应用。

技术领域

本发明涉及微波磁场测量技术领域，尤其涉及一种纳米尺度的微波磁场测量方法。

背景技术

电磁波可以承载人们所要传递的信息，在现代通信中，各种波段的电磁波均得到了广泛的应用，如短波通信，雷达探测等等，但是高频交流磁场目前来看还较难准确测量。随着5G时代的到来，基于高频电磁波的短波通信技术逐渐发展起来，于是一种能对高频交流磁场进行准确测量的方法显得很有研究的意义。

目前主要有如下几种测量方案：

a、通过测量线圈中感应电流的方法推算出自由空间中微波磁场。当微波磁场通过感应线圈时，线圈会产生感应电流。基于电磁学原理，我们可以推算出空间中某点微波磁场的频幅度和频率。此方法空间分辨率受限于线圈的大小，而实际应用中线圈的尺寸远远大于纳米尺度的NV色心。作为间接测量的方法，仅考虑电磁场原理推导出的结果会包含难以估算的系统误差，线圈本身也会对空间微波场造成影响，故精度不高。

b、基于里德堡原子的测量微波电场的方法。里德堡原子(Rydberg atom)是指价电子被激发到高激发态能级结构并且由里德堡能级公式描述的原子。激光可以将真空系统中的冷原子从基态相干激发到里德堡态。在微波场中，里德堡原子会产生与相位关联的交流斯塔克效应。再通过光电探测器，探测出相干条纹的变化，通过相干条纹的变化量，可以推算出微波电场的强度。但是，此方法要在低温下囚禁里德伯原子，装置较为复杂。

c、基于超导线圈的磁场传感器测量微波磁场的方法。当空间中的弱微波磁场通过超导线圈时，线圈中会产生交大的电流。因此超导线圈对自由空间中的微波磁场较为敏感，通常被用于测量较弱的磁场信号，如胎儿的心磁图等。为了减小环境误差，可以用一对平行放置的由共模线圈和差模线圈组成的线圈对来测量，其中共模线圈来抵消环境磁场的扰动，用差模线圈来测量弱信号，进一步提高了信噪比。但是，这类方法的空间分辨率受限于超导线圈的大小，同样远大于纳米尺度的NV色心，而且线圈产生超导的条件也较为苛刻。

d、基于NV色心电子的Rabi振荡测量空间中某点的微波磁场幅度。为了能在纳米尺度精确测得空间中某点的微波磁场强度，我们可以基于NV色心，通过测量电子的Rabi频率来算出待测微波磁场的幅度，但是该方法需满足共振条件，即需要预先知道待测微波的频率大小。故这个方法只能测量已知频率的微波幅度，且带宽较窄。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米尺度的微波磁场测量方法，具有纳米尺度的空间分辨率和较高的精度，并且能在室温大气等温和条件下进行测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种纳米尺度的微波磁场测量方法，其特征在于，包括：

基于BS平移效应，结合预先设定的用于测量微波磁场的序列，测量微波磁场对NV色心自旋为|0态和|+1态，以及NV色心自旋为|0态和|-1态所造成的BS平移量；

将计算出的BS平移量结合预先推导的公式，计算出待测微波磁场的频率与幅度。