[发明专利]基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置及成像方法

说明书

基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置以及成像方法，自旋操控光源模块提供一束入射激光，经过二向色镜系统，在显微镜物镜聚焦后照射到金刚石探针的NV色心上，NV色心产生的荧光通过显微镜物镜返回二向色镜系统，进入荧光探测模块；偏振光发生模块产生偏振光，经过二向色镜系统的透射和/或反射，进入显微镜物镜，然后照射到放置在位移台的样品上，偏振光经过样品反射后，部分再次进入显微镜物镜，然后经过二向色镜系统，进入偏振光检测及成像模块。本发明通过兼容性设计，从而实现对样品的高分辨率、全局和大视野成像。

技术领域：

本发明属于磁性材料和磁场测量的技术领域，具体涉及一种基于金刚石NV色心和磁光克尔效应(本申请亦称为克尔效应)的磁成像装置和方法。可用于对材料进行高空间分辨率和全局的磁性成像，在物理、材料、电子和工业检测领域具有重要应用价值。

背景技术：

对于磁性材料的磁化状态的测量，在物理学、材料学、电子学以及工业生产中都具有重要意义。近些年，出现了一种利用金刚石中氮-空位色心(以下简称NV色心)的磁性测量方法。其原理是以带有NV色心的金刚石作为探针前端，置于待测样品附近。NV色心在样品漏磁场的作用下，自旋状态受磁场影响发生塞曼能级劈裂。利用微波操控自旋，并用激光激发跃迁后，通过观察和分析NV色心辐射的荧光数据，能够探测微小的磁场信号。通过高精度位移台来移动样品，可以实现对样品不同位置的表面漏磁场的探测，从而实现样品磁化状态的扫描成像。得益于NV色心的微小体积和高精度，此方法可以实现纳米级别的空间分辨率的磁性成像。但是，此方法无法实现全局同步成像，且通过扫描方式对较大面积的目标进行成像需要花费较长时间，因此检测尺寸也较小。磁光克尔成像技术是一种利用磁光克尔效应对样品进行成像的技术，可以对样品进行全局成像，成像范围较大，可以达到数百微米到数毫米的量级，但是由于光学衍射等原因，磁光克尔显微镜成像的分辨率很难优于200nm。磁光克尔成像与基于NV色心的成像在原理上不同，其光学系统和操作方法也不同，因此，传统的设备和成像方法无法实现两种成像技术的兼容。

现有技术方案中，基于NV色心的磁场测量技术虽然具有高空间分辨率的特性，理论上能够达到几纳米的级别，但是基本上都是基于单点扫描的来实现对磁性样品进行磁化状态的成像。不但无法实现同步的全局成像，而且扫描较大面积的样品表面需要耗费较长的时间；而磁光克尔成像能够实现全局的时间同步成像，成像视野较宽，可以达到上百微米到几毫米。但是成像分辨率受限于光学衍射，一般不会优于200nm。

由于基于金刚石NV色心的成像系统的光路为共聚焦光路，与磁光克尔显微成像系统配置、原理和操作方法均不同，无法在以传统的方式在同一个光路上对两种成像技术进行实现。

发明内容：

为解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提出一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置以及成像方法，通过兼容性设计，能够将以上两种磁性测量方法在同一装置实现，从而实现对样品的高分辨率、全局和大视野成像。所谓高分辨率是指空间成像分辨率高于普通的光学显微分辨率极限，即分辨率优于200nm。

为实现上述发明目的，本申请具体采用以下技术方案。

一种基于金刚石NV色心和克尔效应的磁成像装置，所述装置包括自旋操控光源模块1、偏振光发生模块2、荧光探测模块3、偏振光检测及成像模块4、显微镜物镜5、带有NV色心的金刚石探针9、NV色心探针臂10、微波发射装置12、位移台13；其特征在于：

所述自旋操控光源模块1用于提供一束入射激光，经过二向色镜系统，使激光经过二向色镜透射和/或反射，在显微镜物镜5聚焦后，照射到金刚石探针9的NV色心上，所述带有NV色心的金刚石探针9通过NV色心探针臂10夹持；

微波发射装置12靠近金刚石探针9的NV色心一侧设置，用于发射电磁脉冲序列，对NV色心的自旋状态进行操控；

所述金刚石探针9的NV色心产生的荧光通过显微镜物镜5返回二向色镜系统，通过二向色镜系统透射和/或反射，进入荧光探测模块3；