[发明专利]一种NV轴三维空间指向快速测量方法

权利要求书

1.一种NV轴三维空间指向快速测量方法，采用NV轴向标定系统实现，其特征在于，所述方法包括：

获取具有八个分离谱峰的ODMR谱，分析每对谱峰间的频率宽度得到每个NV轴向上投影的磁场强度；

分别对金刚石样品施加沿着空间直角坐标系Z轴正反方向与Y轴正反方向上的静磁场，同时测量其ODMR谱并分析每对谱峰所对应的频率变化量；

建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的关系，得到各NV轴指向角度；

建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的关系进一步包括：

建立NV坐标系到理想正交坐标系的转换模型B_o＝K_NoB_NV，B_o为理想正交坐标系下分量，B_NV为NV坐标系下分量，K_No为NV坐标系到理想正交坐标系的转换矩阵；

获取理想正交坐标系与空间直角坐标系的转换关系B_o＝K_eoB_e，B_e为空间直角坐标系下分量，K_eo为空间直角坐标系到理想正交坐标系的转换矩阵；

将分别对金刚石样品施加的四种不同的磁场矢量转化到理想正交坐标系下进行运算得到转换矩阵K_eo的参数，建立NV坐标系与空间直角坐标系的转换关系B_NV＝K_oNK_eoB_e，得到各NV轴指向角度；

设理想正交坐标系中的坐标轴为x、y、z，NV坐标系的坐标轴分别为α、β、γ、δ；在z与α轴重合情况下，β位于xOz平面内，根据金刚石的晶体结构得知，β、γ、δ三轴与xOy平面之间的夹角相等，为a＝19.28°；γ轴与δ轴在xOy平面内的投影与x轴的夹角分别为b＝120°以及c＝-120°，因此，得到NV坐标系到理想正交坐标系的转换模型B_o＝K_NoB_NV，其中，K_oN为理想正交坐标系到NV坐标系的转换矩阵，转换矩阵K_oN为：

2.根据权利要求1所述的NV轴三维空间指向快速测量方法，其特征在于，将空间直角坐标系XYZ经过三次旋转得到理想正交坐标系xyz，具体为：首先，令空间直角坐标系XYZ绕轴Z轴逆时针旋转角，得到中间坐标系x₁y₁Z；其次，令中间坐标系x₁y₁Z绕x₁轴逆时针旋转θ角，得到第二个中间坐标系x₁yz₁；最后，令中间坐标系x₁yz₁绕y轴逆时针旋转ω角，得到xyz坐标系。

3.根据权利要求2所述的NV轴三维空间指向快速测量方法，其特征在于，空间直角坐标系XYZ与理想正交坐标系xyz之间的转换公式为：

其中，K_ω、K_θ、分别表示空间直角坐标系到理想正交坐标系的转换矩阵的各角度分量；B_ex、B_ey、B_ez分别表示空间直角坐标系在xyz三轴上的分量。

4.根据权利要求3所述的NV轴三维空间指向快速测量方法，其特征在于，将分别对金刚石样品施加的沿着空间直角坐标系Z轴正反方向与Y轴正反方向上的静磁场转化到理想正交坐标系下进行运算，得到转换矩阵K_eo的参数θ、ω、包括：

将对金刚石样品施加的沿着空间直角坐标系Z轴的两个强度相同、方向相反的磁场矢量转化到理想坐标系下，计算得到θω值；

将对金刚石样品施加的沿着空间直角坐标系Y轴的两个强度相同、方向相反的磁场矢量转化到理想坐标系下，计算得到值。

5.根据权利要求1所述的NV轴三维空间指向快速测量方法，其特征在于，所述NV轴向标定系统包括NV色心磁场敏感部分以及用于NV色心荧光收集的共聚焦光路；

在NV色心磁场敏感部分中：金刚石颗粒固定于锥形光纤的尖端；螺旋天线连接于微波源用于产生微波信号；亥姆霍兹磁场线圈连接高精度电流源，用于产生均匀的可调直流磁场；光纤末端的金刚石颗粒固定于亥姆霍兹线圈的中心，同时靠近天线磁场分布的最强点；钕铁硼永磁体放置于金刚石颗粒附近，为NV色心ODMR谱劈裂为八个峰提供固定磁场；

在用于NV色心荧光收集的共聚焦光路中：脉冲信号发生器用于产生控制；激光光源产生的激光经过透镜聚焦后进入声光调制器进行激光脉冲时序控制，由声光调制器射出的发散光经过透镜转为平行光并由二向色镜反射进入长工作距离物镜聚焦，聚焦后的光线通过锥形光纤的柱形截面端照射至金刚石中；金刚石产生的红色荧光信号经过长工作距离物镜转化为平行光并穿过二向色镜进入物镜聚焦；聚焦后的红色荧光由雪崩光电二极管接收并转为电信号；锁相放大器利用脉冲信号发生器产生的激光微波二次调制信号对该电信号进行采集解调。