[发明专利]高Q值腔体增强型金刚石氮空位色心弱磁传感系统

说明书

本发明涉及高Q值腔体增强型金刚石氮空位色心弱磁传感系统，激光器发射的绿色激光通过声光调制器调制，二相色镜反射到与第一物镜相连的锥形光纤探头，附着有金刚石氮空位色心的锥形光纤探头末端穿入金属腔带通滤波器内，高Q值的金属腔带通滤波器外部设有外加磁场，经激光和微波场作用的金刚石氮空位色心发出红色荧光，红色荧光经由锥形光纤探头返回，被光电探测器收集，通过信号分析仪和计算机实现对具体磁场的测量和传感。本发明将高Q值腔体滤波器引入金刚石氮空位色心的磁传感系统中，为之提供了大宽带的三维微波辐射场，极大提升了辐射效率，可实现对外部磁场更高灵敏度的磁场测量和传感。

技术领域

本发明属于磁场探测系统技术领域，具体涉及高Q值腔体增强型金刚石氮空位色心弱磁传感系统。

背景技术

磁传感技术在磁导航、磁异常监测、精密器件无损检测、生物细胞磁场测量、医学核磁共振等领域具有重要意义。近年来，金刚石氮空位色心(NV色心)由于其独特的晶体结构和能级特性，被广泛应用于量子信息、量子精密传感和量子物理基础问题等领域，特别是基于氮空位色心的高空间分辨率和高灵敏度磁传感的应用。

目前的研究多采用微波天线实现对金刚石氮空位色心的磁场传感与探测，其中以窄带微波天线为辐射源的实验系统难以实现大范围的磁场探测，而宽带微波天线虽然可解决这一问题，但它们都只能实现二维微波场，且微波天线直接向外部空间发射微波场，这既造成辐射场的三维不均匀性，也使得辐射效率相对较低。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足而提供的高Q值腔体增强型金刚石氮空位色心弱磁传感系统，可为金刚石氮空位中心提供三维、宽带、高辐射效率的微波场。

本发明的技术方案如下：

高Q值腔体增强型金刚石氮空位色心弱磁传感系统，包括激光器、声光调制器、二相色镜、第一物镜、锥形光纤探头、金属腔带通滤波器、微波源、光电探测器、信号分析仪、计算机，所述激光器发射的绿色激光射入所述声光调制器，所述声光调制器调制后的激光通过二相色镜反射到第一物镜，所述第一物镜和所述锥形光纤探头通过光纤耦合器连接，所述锥形光纤探头的末尾端附着有带有氮空位色心的金刚石，所述微波源为所述金属腔带通滤波器提供微波场，所述锥形光纤探头的末尾端穿入所述金属腔带通滤波器内，为金刚石氮空位色心提供三维微波场，所述金属腔带通滤波器外部设有外加磁场，所述金刚石氮空位色心发出红色荧光，所述红色荧光经由锥形光纤探头返回，穿过第一物镜经二相色镜滤除绿色激光后，被所述光电探测器收集并确定荧光强度，所述光电探测器和所述信号分析仪连接，所述信号分析仪和所述计算机连接。

进一步地，还包括第一反光镜、第二反光镜、第三反光镜、第一透镜、第二透镜、遮光栏、第二物镜，所述激光器产生的绿色激光依次经由第一反光镜和第一透镜摄入激光调制器内，所述声光调制器依次经由遮光栏、第二透镜和第二反光镜射至二相色镜，所述红色荧光从二相色镜透过后经由第三反光镜反射至第二物镜后由所述光电探测器收集。

进一步地，所述激光器发射的绿色激光的波长为532nm，所述金刚石氮空位色心发出的红色荧光的波长为640～800nm。

进一步地，所述微波源为金属腔带通滤波器提供的微波源的频率为0～5GHz。

进一步地，带有氮空位色心的金刚石的颗粒直径为2.5～3.5μm。

进一步地，所述金属腔带通滤波器包括圆柱腔体、扰动圆柱、两个SMA同轴馈线，所述扰动圆柱固定于所述圆柱腔体的底部中心，两个所述SMA同轴馈线的端口分别穿设在所述圆柱腔体的侧壁上，两个所述SMA同轴馈线端口的夹角为90°，两个所述SMA同轴馈线端口的内导体延伸至所述圆柱腔体内作为耦合探头，所述圆柱腔体的侧壁上开设有供锥形光纤探头穿过的光纤通孔。

进一步地，所述金属腔带通滤波器的圆柱腔体和扰动圆柱由铝制成。