[发明专利]一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统及方法

说明书

本发明公开一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，包括控制装置、信号发生装置、信号分析装置、激光极化装置、微波调制装置、共聚焦光路和三维电控位移台；所述控制装置对信号发生装置、微波调制装置、三维电控位移台和信号分析装置的工作进行控制；所述共聚焦光路连接锥形光纤，所述锥形光纤上设置有金刚石颗粒，所述金刚石颗粒处于被测温度场内，所述被测温度场设置在所述三维电控位移台上。本发明还公开一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像测量方法，相比于传统温度场测量方法，其具有较高的测量灵敏度以及空间分辨率。

技术领域

本发明属于高分辨温度场测量技术领域，具体是一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统及方法。

背景技术

温度是热力学基本单位，是表征环境、器件以及系统的重要性能参数之一。温度，尤其是温度场的准确测量，在工业生产、科学研究等应用中起着至关重要的作用。传统的温度场测量方法主要是利用红外辐射的方法进行成像分析，但这类方法测量温度的分辨率较低，难以实现微电子、微流体等器件的温度场测量。因此，近几年来对温度场测量的研究逐渐侧重于微米-纳米尺度下的高分辨温度场测量。现今，高分辨率温度场测量方法主要有拉曼光谱测温法、分子标记测温法以及热扫描显微成像测量法等。但是，这些方法容易受到染料荧光率以及环境荧光波动所影响，从而导致所得到的测量结果灵敏度较低。随机误差较大。

NV(Nitrogen-Vacancy)色心是金刚石结构中的一种具有发光特性的自旋缺陷，其中包括一个替换碳原子的氮原子及其相邻的空穴。近年来，由于它在室温下具有很多如光稳定性、生物相容性、化学惰性、长自旋相干以及弛豫时间等的优良的性能，使其研究越来越广泛。NV色心的基态包含|m_s＝0和|m_s＝±1的自旋三重态，其自旋态可以通过光学检测磁共振(ODMR)技术测量得出。在室温下，由于其自旋相互作用，|m_s＝0态和|m_s＝±1态具有中心频率D＝2.87GHz的零场劈裂。当温度改变时，NV色心零场的中心频率D会随着温度的升高而减小，反之会随着温度的降低而增大，同时具有线性变化特性，其温度变化灵敏度可达-74kHz/K。

综上所述，为了克服传统温度场的测量缺陷，我们基于NV色心的高灵敏度温度敏感特性，提出了一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统及方法。该方法选用具有NV色心的微米或纳米级金刚石样本作为温度敏感单元；利用截面尺寸在亚微米级的锥形光纤进行样品固定以及荧光传导；利用光学共聚焦系统进行不同温度下金刚石的荧光收集测量；利用高精度三维位移平台精确改变温度测量点。因此，该方法具有高分辨率以及高灵敏度的特点，从而能够得到准确精细的温度场成像。

发明内容

本发明的目的在于克服传统温度场的测量缺陷，提供一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统及方法，其利用微米或纳米尺度的NV金刚石颗粒进行温度场敏感，相比于传统温度场测量方法，本发明具有较高的测量灵敏度以及空间分辨率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高灵敏度高分辨接触式三维温度场成像系统，包括控制装置、信号发生装置和信号分析装置，还包括激光极化装置、微波调制装置、共聚焦光路和三维电控位移台；所述控制装置对信号发生装置、微波调制装置、三维电控位移台和信号分析装置的工作进行控制；所述共聚焦光路连接锥形光纤，所述锥形光纤上设置有金刚石颗粒，所述金刚石颗粒处于被测温度场内，所述被测温度场设置在所述三维电控位移台上。

优选地，所述微波调制装置包括：固定射频源、带调制功能的微波源、微波开关、声光调制器、微波天线；所述的信号分析装置与共聚焦光路之间还连接有雪崩光电二极管。

优选地，所述金刚石颗粒为含有氮空位(nitrogen vacancy；NV)色心的纳米级或微米级金刚石颗粒，并且所述金刚石颗粒粘接于所述锥形光纤的尖端截面上。