[发明专利]一种纳米级分辨率集成光学量子温度计

说明书

本发明公开了一种纳米级分辨率集成光学量子温度计。所述光学量子温度计包括分光检测装置、量子温度感应腔。在特定波长激光激发下，根据SiC晶体产生交叉弛豫(CR)现象时其光致发光(PL)强度显著变化的物理现象，确定CR位置与对应的磁场强度。温度变化1mK时，会导致数nT的磁场频移变化，据此确定不同温度分别对应的CR位置及其磁场强度，构建磁场中CR位置与温度的校准曲线，通过宏/微驱动定位平台实现纳米级空间分辨率，由上位机检测显示PL强度变化得到SiC晶体的CR位置并根据校准曲线获得待测样品材料的温度分布图。本发明基于SiC的自旋和CR现象，空间分辨率达到纳米级，实现了10mK/Hz^1/2的温度测量精度，构建了集成光学量子温度计，易于工程化应用。

技术领域

本发明涉及量子光学及仪器仪表技术领域，具体涉及一种纳米级分辨率集成光学量子温度计。

背景技术

在微米和纳米级别上测量具有高空间分辨率的弱温场是当前基础物理学到材料科学再到数据存储乃至生物医学科学等领域的主要挑战。当前研究的具有微米级分辨率的光学量子温度计基于NV色心，其具有基本的三重自旋态，自旋能级在激发态下被选择性地填充，可被开发用于测量温度。对于碳化硅(SiC)，发现在近红外范围的光辐射下可选择性地对S＝3/2的自旋能级进行填充，基于此提出了使用光学检测磁共振(ODMR)的方法来测量磁场和温度场。这种光学量子温度计利用SiC晶体在自旋能级S＝3/2时，近红外光致发光强度的急剧变化和外部磁场中的交叉弛豫的物理现象制成，其特征在于SiC晶体再交叉弛豫现象发生时对温度的极强依赖性，实现50mK/Hz^1/2的温度测量精度，空间分辨率达到300nm，但该方法的ODMR线宽相对较大，达到2mT，且由于晶体的激发态寿命固定，其线宽无法降低。

发明内容

有鉴于此，本发明目的旨在对现有技术进行创新，提供一种纳米级分辨率集成光学量子温度计，该纳米级分辨率集成光学量子温度计实现了10mK/Hz^1/2的温度测量精度，通过SiC晶体在S＝3/2自旋“亮”中心与S＝1自旋“暗”中心两者自旋能级能量差异重合产生交叉弛豫(CR)现象，其线宽较之光学检测磁共振(ODMR)的方法小约一个数量级，具有更高的灵敏度。该光学量子温度计集成化程度高，通过检测光致发光强度的变化获得待测样品材料的温度分布图，易于工程化应用。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米级分辨率集成光学量子温度计，其特征在于，所述集成光学量子温度计达到纳米级空间分辨率，其结构包括分光检测装置、量子温度感应腔。

进一步地，所述分光检测装置包括微型激光发射器(1)、半反半透镜(2)、支撑架(3)、传输光纤(10)、滤光器(11)、聚焦透镜(12)、光电探测器(13)、上位机接线(14)、上位机(15)。所述微型激光发射器(1)用于发射入射激光(16)至量子温度计；所述半反半透镜(2)用于将入射激光(16)与SiC晶体自旋中心所发出的光信号(17)进行分离；所述支撑架(3)用于支撑半反半透镜(2)；所述传输光纤(10)用于传输SiC晶体自旋中心所发出的光信号(17)；所述滤光器(11)用于过滤光信号中的干扰光；所述聚焦透镜(12)用于光信号的聚焦；所述光电探测器(13)将聚焦所得的光信号转化为电信号；所述上位机接线(14)用于连接光电探测器(13)与上位机(15)；所述上位机(15)用于记录并显示光电探测器(13)所得电信号。

进一步地，所述量子温度感应腔包括支撑架(3)、压电元件(4)、扫描台(5)、通电线圈(6)、底座(7)、SiC晶体(8)、物镜(9)。所述支撑架(3)用于支撑物镜(9)；所述通电线圈(6)用于通电产生穿透SiC晶体板的磁场；所述底座(7)用于为通电线圈提供电源并连通低频发生器提供频率调制；所述物镜(9)用于记录SiC晶体自旋“亮”中心被激发时所发出的PL强度变化。