[发明专利]一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置与方法

说明书

本发明公开了一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置与方法，其特征在于：包括光纤激光器、多模保偏光纤、光纤二向色镜、附着有固体色心金刚石颗粒的光纤探头、光纤滤波器、光纤探测器、数据处理单元，所述多模保偏光纤连接所述光纤激光器和所述光纤二向色镜，所述光纤激光器发出的激光经所述光纤二向色镜反射至所述光纤探头的固体色心金刚石颗粒上，固体色心金刚石颗粒被激光激发后发出荧光，所述荧光经所述光纤二向色镜后，经过所述光纤滤波器后到达所述光纤探测器，所述光纤探测器与所述数据处理单元电信连接，本发明既可在温度稳定的环境中对固定样品进行测温，也可在自由活动的动物身上进行光纤测温，应用范围广泛。

技术领域

本发明涉及高精度温度测量技术领域，特别涉及一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置与方法。

背景技术

温度是热力学的基本单位，是确认物质状态最重要的参数之一。温度的测量在工农业生产、科学实验、生物医学研究等领域中占有极重要的地位。传统的温度测量方法主要是利用红外辐射的方法进行成像分析，但这类方法空间分辨率低、测量精度低、响应慢。现今，高分辨率温度测量方法主要有拉曼光谱测温法、分子标记测温法以及热扫描显微成像测量法等。但是，这些方法容易受到染料荧光率以及环境荧光波动所影响，从而导致所得到的测量结果灵敏度较低，随机误差较大。

固体色心，如NV (Nitrogen-Vacancy)色心、GeV（Germanium-Vacancy）色心等是金刚石结构中的一种具有发光特性的自旋缺陷，其中包括一个替换碳原子的原子及其相邻的空穴。近年来，由于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。基于固体色心金刚石的量子传感温度测量同时具备较高的温度灵敏度、空间分辨率和快速的热响应时间。与现有的高灵敏度辐射测温技术相比，金刚石的小体积、高灵敏度和高空间分辨率均具有明显优势。

传统基于固体色心自旋的测量方法需要脉冲光源以及微波发生及调制装置，很难实现测量仪器的小型化及便携化，对生物体温度测量等应用方向会产生限制，因此，亟需一种小型化的测温装置。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置与方法。本发明基于微米级和纳米级固体色心金刚石做温度传感，具有小体积、高灵敏度和高空间分辨率的优势；采用全光纤结构，激光传输稳定性好，适用于多种金刚石色心样品，易于实现小型化与集成化，且对生命体无毒害，可应用于多种温度测量领域。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明公开了一种基于固体色心自旋的全光学量子测温装置，包括光纤激光器、多模保偏光纤、光纤二向色镜、附着有固体色心金刚石颗粒的光纤探头、光纤滤波器、光纤探测器、数据处理单元，所述多模保偏光纤连接所述光纤激光器和所述光纤二向色镜，所述光纤激光器发出的激光经所述光纤二向色镜反射至所述光纤探头的固体色心金刚石颗粒上，固体色心金刚石颗粒被激光激发后发出荧光，所述荧光经所述光纤二向色镜后，经过所述光纤滤波器后到达所述光纤探测器，所述光纤探测器与所述数据处理单元电信连接。

作为优选的，所述光纤激光器产生工作波长为532nm的单色光。

作为优选的，所述光纤滤波器为窄带陷波滤波器，陷波波长为532nm。

作为优选的，所述固体色心金刚石颗粒为氮-空位色心的纳米级或微米级金刚石颗粒，固定于所述光纤探头上。

作为优选的，所述光纤二向色镜反射激光，透射荧光；所述光纤滤波器隔离激发激光，透过荧光。

本发明公开了一种基于固体色心自旋的全光学量子测温方法，包括如下步骤：