[发明专利]一种NV轴三维空间指向快速测量方法

说明书

本发明公开一种NV轴三维空间指向快速测量方法，该方法通过调整永磁体与金刚石颗粒样品之间的相对位置得到具有八个分离谱峰的ODMR谱，并通过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；利用亥姆霍兹线圈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；利用空间坐标转换原理建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的关系，即各NV轴指向角度。本发明只需施加四种不同的磁场矢量，通过两步测量即可实现NV轴三维空间指向的快速测量，相对于现有技术，其需要采集的数据量更少，标定速度更快。

技术领域

本发明涉及矢量传感器敏感轴空间方向标定技术领域，具体涉及一种NV轴三维空间指向快速测量方法。

背景技术

金刚石是一种由碳原子按四面体成键方式互相连接构成的矿物，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，其主要由一个替换碳原子的氮原子及其相邻的空穴构成。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。

金刚石NV色心具有C_3V对称，其对称轴为由氮原子和空穴形成的晶轴，称为NV轴。根据金刚石的原子结构可知，一个金刚石样本中所有NV色心的对称轴只有四个方向，如图1(a)所示。其每一个轴向NV色心的基态包含|ms＝0和|ms＝±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。当受到外界静磁场影响时，每一个轴向NV色心的ODMR谱会产生塞曼分裂，其分裂宽度与静磁场在该NV轴向上的投影成正比。当受到外界微波场影响时，其微波矢量在每一个NV轴向上的投影强度也会影响该轴向NV色心的ODMR谱峰高度。因此，根据上述金刚石NV色心的性质可以利用其进行矢量静磁场与矢量微波场的测量。相比于传统的多轴矢量传感器(磁阻传感器、磁通门传感器以及SQUID等)，由于NV金刚石结构中四个等效晶轴之间的角度是固定的，其敏感轴之间的方向误差和位置误差几乎为零。另外，微米级甚至亚微米级金刚石颗粒样品还可以实现高分辨率矢量场成像测量工作。

利用上述特性进行矢量测量的所得到结果是在由四个NV轴组成的NV坐标系下，需要将其转换为空间直角坐标系下的测量数据进行分析。由于NV轴方向与金刚石晶相[111]方向一致，利用现有加工工艺我们可以得到准确的毫米级以上块状金刚石样本的111晶向，从而能够很容易的建立起该金刚石中NV轴坐标系与空间直角坐标系之间的关系。然而，对于微米级甚至纳米级的金刚石颗粒，当其固定于在空间中某一个位置时，其NV轴方向与空间直角坐标系之间相对方向是随机的，无法直接确定各NV轴在空间中的具体指向。

公开号CN109709128A的中国专利于2019年5月3日公开了一种金刚石NV轴方向标定装置及方法，其基于NV色心金刚石每个NV轴向所对应的两条ODMR谱峰的频率差值随静磁场在该NV轴向上的投影强度进行线性变化的特性，通过建立静磁场在NV坐标系下的投影与空间直角坐标下的投影之间的转换关系得到金刚石中NV轴的方向，解决了微米或纳米级金刚石颗粒的NV轴在空间中指向无法确定的问题。但是该方法需要采集的数据量较多，标定速度不够理想。

因此，本发明基于不同NV轴向的ODMR谱峰在静磁场作用下的塞曼分裂特性，提出了一种三维空间中金刚石颗粒NV轴定向方法来建立金刚石颗粒样品NV轴坐标系与空间直角坐标系之间的关系，以解决现有标定方法存在的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种NV轴三维空间指向快速测量方法，该方法只需施加四种不同的磁场矢量，通过两步测量即可实现NV轴三维空间指向的快速测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

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，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；