[发明专利]扫描成像系统的控制系统及控制方法

说明书

一种扫描成像系统的控制系统及控制方法，该控制系统用于基于氮空位色心及原子力显微镜连用平台，包括：微波波源；微波开关；激光源；声光调制器；计数模块，包括计数采集卡；模拟输出卡，包括：X轴控制端口和Y轴控制端口，以及Z轴控制端口；以及任意序列发生模块，具有多个TTL电平输出端口，不同TTL电平输出端口分别独立地配置TTL电平序列，所述TTL电平序列由所述多个TTL电平输出端口分别输出到所述微波波源、所述微波开关、所述声光调制器、所述计数采集卡和所述模拟输出卡，进而分别对所述微波波源、所述微波开关、所述声光调制器、所述计数采集卡和所述模拟输出卡进行控制。本发明还提供了一种扫描成像系统的控制方法。

技术领域

本发明涉及氮空位色心及原子力显微镜连用平台领域，尤其涉及扫描成像系统的控制系统及控制方法。

背景技术

金刚石材料中的点缺陷，特别是量子自旋缺陷、光学活性缺陷等，已被广泛应用于各种传感、检测和量子处理等领域。包括：磁力计；自旋共振装置，如核磁共振(NMR)和电子自旋共振(ESR)；用于磁共振成像(MRI)的自旋成像装置；以及量子信息处理装置，如量子计算。

金刚石材料中很多点缺陷已经被研究，包括含硅的缺陷，含氮的缺陷，含铬的缺陷等。这些缺陷常以中性电荷状态和负电荷状态被发现。

已经发现，某些缺陷在其处于负状态时特别适用于传感、探测和量子处理领域。例如，金刚石材料中带负电荷的氮-空位(NV^-)色心作为可用的量子自旋缺陷，具有广泛的应用。该缺陷具有如下特性：

具有很长的相干时间，能够以高保真度操纵它的电子自旋状态。

金刚石中NV^-色心是由碳空位及邻近的氮原子组成。它的基态为自旋三重态(³A)，其简并m_s＝±1能级与m_s＝0能级具有2.87GHz的零场劈裂。在进行光泵浦时，m_s＝0的次能级显示高的荧光率，相反，当缺陷在m_s＝±1能级被激发时，它显示出较高概率跨过单重态(¹A)，紧接着弛豫到m_s＝0能级。因此，从荧光强度的结果，可以读出自旋状态，即m_s＝±1的能级状态是“暗”，m_s＝0的能级状态是“亮”。当施加外部磁场时，通过塞曼(Zeeman)分裂打破次能级自旋态m_s＝±1的简并性，这引起共振谱线根据所施加的磁场幅度和其方向而分裂。这种相关性可用于矢量磁力测定，可以通过扫描微波频率检测共振自旋跃迁，得到光学检测磁共振(ODMR)谱中的荧光特征下降的频点，进而求解出外磁场矢量在NV^-轴向的分量大小。

原子力显微镜(AFM)是基于原子间作用力的表面形貌测量工具，具有纳米级的分辨率，其在物理、化学、材料等诸多领域有广泛领域。

将AFM的扫描特性与金刚石NV^-色心测量特性结合所搭建的NV-AFM连用平台，在电场、磁场等物理量空间扫描成像领域有重要应用。现有NV-AFM连用平台的硬件结构如图1所示，其具体结构及功能说明如下：AFM部分包括了探针台，位移台，探针，样品，其中探针台由纳米位移台、微米位移台及角度位移台组成，其中微米位移台及角度位移台用于调节探针和样品相对位置及角度，纳米位移台用于扫描成像，探针是含有NV^-色心的针尖，这有别于传统的AFM。共聚焦光路部分包括激发光路，显微镜头，收集光路，激发光路用于激发金刚石中的单NV^-色心，收集光路用于收集NV色心激发后回到初态过程发出的荧光，显微镜头用于使激发光聚焦以及使荧光汇聚。微波部分包括了微波源，可按照磁学探测需要产生需要的微波。

扫描成像速度是扫描成像仪器最重要的参数之一，现有的NV-AFM连用平台在进行扫描成像时，其控制系统涉及到多次输入输出(IO)过程，降低了扫描成像速度。

发明内容