[发明专利]一种近场微波谐振器谐振频率测量系统及方法

说明书

本发明涉及一种近场微波谐振器谐振频率测量系统及方法，利用电子自旋共振和金刚石氮‑空位缺陷(NV^‑色心)拉比振荡频率与微波强度相关的性质，将金刚石置于静磁场中，改变微波脉冲频率和磁场强度进行光探测磁共振和拉比振荡测量，得到一系列拉比振荡频率，从中提取谐振器谐振频率。测量系统包括光学模块、微波模块、磁场装置、金刚石和控制装置，其中，金刚石内嵌NV^‑色心；光学模块可以产生并导引光照射到金刚石上，同时探测金刚石发出的荧光信号；微波模块可以产生微波操控场并将其加载到金刚石上；磁场装置可以产生静磁场。本发明能实用、准确地测量微波谐振器的谐振频率和有效磁场强度，精度高，且能够在近场条件下使用。

技术领域

本发明涉及量子传感器的技术领域，具体涉及一种基于金刚石NV^-色心的近场微波谐振器谐振频率测量系统及方法，在各个领域特别是医疗检测、化学检测和磁检测领域中对与电子自旋共振(ESR)相关的应用有重要的意义和价值。

背景技术

共振现象广泛应用于众多学科领域，尤其是高实用性、高效率和高精度传感器研究领域。同时，基于量子效应的电子自旋共振(ESR)更加显著地提高了各领域的测量灵敏度。应用ESR来进行测量需要使用微波谐振器产生的微波对电子的自旋状态进行操纵，这一操纵高度依赖微波谐振器谐振频率的精度。然而，微波谐振器的谐振频率特别容易受到测量系统中具有不同介电常数的基底材料还有通常都装在谐振器近场的自旋材料和磁性元件的影响。目前，尽管研究者已经对微波谐振器测试做了大量的研究工作，但是考虑到测量的重复性和人为误差，在ESR系统中通过频率调谐对微波谐振器进行近场测量效率低下。因此，在近场的ESR应用中急需一个精确而可靠的微波谐振器谐振频率测量方法。

近年来，在磁传感器和量子信息领域中，金刚石中带负电荷的氮-空位中心(NV^-)受到了广泛的关注。NV^-色心是金刚石中的一个点缺陷，它由一个替代了碳原子的氮原子和位于其相邻位置的空位再捕获一个带负电荷的电子形成的。NV^-色心具有一个自旋的基态三重态，可以被532纳米激光极化，并且通过探测其由激光照射而发出的荧光可以分析NV^-色心周围的磁场。由于零场劈裂，NV^-色心的自旋态可以被大约2.87GHz的微波操纵。目前，为操纵NV^-色心自旋态研究者们提出过各种微波谐振器设计方案，如圆偏振微波和大面积场等。然而，微波谐振器与自旋体系之间的相互作用还很少被关注，在这种近场情况下，谐振器产生的微波场会产生变化。不过这种变化能够被金刚石NV^-色心所感知，从而能够精确测量近场条件下微波谐振器的谐振频率，这对与ESR相关的测量领域有重要意义。

针对近场微波谐振器谐振频率测量，目前国内外尚无系统的测量方法，而现有成熟的谐振器谐振频率测量方法比如使用矢量网络分析仪，测量系统复杂，需要外部设备，不能在保持本领域近场装置完整性和与工作条件一致性的同时进行测量。如单独测量谐振器的谐振频率，则与谐振器实际工作时的谐振频率有偏差。本发明给出的测量方法，则可以对谐振器谐振频率进行在线实时测量，结果准确，测量条件与本领域近场工作条件一致。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种近场微波谐振器谐振频率测量系统与方法，能够实用、准确地测量微波谐振器的谐振频率和有效磁场强度，精度高，且能够在近场条件下使用。

本发明技术解决方案：一种近场微波谐振器谐振频率测量系统，包括：

近场微波谐振器谐振频率测量系统，包括光学模块、微波模块、磁场装置、金刚石和控制模块，其中，

金刚石内嵌NV^-色心；

光学模块产生并导引光照射到所述的金刚石上，同时探测其发出的荧光信号；

微波模块产生微波操控场并将微波操控场加载到金刚石上；