[发明专利]一种NSiV双色心的磁场与温度双参量测试方法及装置

权利要求书

1.一种NSiV双色心的磁场与温度双参量测试方法及装置，其特征在于：它包括光纤激光器(1)、磁场及温度测试装置(2)、光电转换模块(3)、ADC模块(4)；微处理器(5)、计算机(6)；所述方法的具体实现过程为：

所述光纤激光器(1)中心波长为532nm，强度为20mw用于产生光信号；

所述磁场及温度测试装置(2)包括旋转磁力座(2-1)、N级磁铁(2-2)、S级磁铁(2-3)、磁力座供电装置(2-4)、传感单元(2-5)，温控平台(2-6)其中：

旋转磁力座(2-1)两端分别放置N级磁铁(2-2)与S级磁铁(2-3)，通过磁力座供电装置(2-4)可调节N级磁铁(2-2)与S级磁铁(2-3)的磁力，另外传感单元(2-5)以及温控平台(2-6)放置在磁场测试装置平台上；

传感单元(2-5)为大芯多模光纤(2-5-1)与MNF(2-5-2)与大芯多模光纤(2-5-4)熔接构成马赫曾德结构，另外将金刚石NSiV双色心纳米材料(2-5-3)涂覆在MNF(2-5-2)的腰锥中心，最后将基于SPR的单模光纤(2-5-5)与马赫曾德结构级联；

传感单元(2-5)的具体制备过程包括马赫曾德结构以及基于SPR的单模光纤(2-5-5)的制作、金刚石NSiV双色心纳米材料(2-5-3)以及PDMS(2-5-5-1)的制作与涂覆，其中：

所述大芯多模光纤(2-5-1)长度为10cm，纤芯直径为105μm，MNF(2-5-2)为多模光纤拉锥，纤芯直径为35μm，长度为3cm，过渡区(2-5-2-1)长度为1.1cm，腰锥(2-5-2-2)长度为0.9cm，腰锥直径为20μm，所述基于SPR的单模光纤(2-5-5)的纤芯直径为8.2μm，剩余包层直径110μm，银膜厚度40nm，长度为10mm，首先，利用氢氧焰拉锥机在单模光纤中心部分进行拉锥，拉锥至长度为9mm，其次，MNF(2-5-2)一端与大芯多模光纤(2-5-1)利用熔接机进行熔接直至损耗为0，最后，利用熔接机将MNF(2-5-2)另一端与大芯多模光纤(2-5-4)进行熔接直至损耗为0构成马赫曾德结构，将单模光纤表面涂覆层去掉后将浓度为35％的HF滴涂在去掉涂覆层的部位直至包层(2-5-5-3)腐蚀到15μm后采用磁控溅射法将Ag(2-5-5-2)镀在被腐蚀的部位直至光纤结构镀膜均匀；

所述金刚石NSiV双色心纳米材料(2-5-3)的制作，首先选取石英玻璃片作为基底，使用MPCVD在N₂环境下沉积3nm的金刚石，参数设置为：甲烷通量为2.5sccm，H₂通量为232.4sccm，N₂通量为1sccm，温度为900℃，功率为1200w，压强为4030pa，沉积50min，其次，沉积Si，参数设置为：功率为50w，压强为1pa，真空度为9E-4，沉积时间为70s，最后，进行退火生成双空位，关闭甲烷和氮气，参数设置为：H₂通量提升至155sccm，温度设置为700℃，静置1.5小时后待降到室温取出金刚石NSiV双色心纳米材料(2-5-3)，取定量金刚石NSiV双色心纳米材料(2-5-3)粉末溶于30ml无水乙醇中，超声处理2小时使其均匀分散成为金刚石NSiV双色心纳米材料(2-5-3)悬浊液；

所述金刚石NSiV双色心纳米材料(2-5-3)涂覆在MNF(2-5-2)的腰锥中心采用滴涂法，首先，采用移液枪吸取所制金刚石NSiV双色心纳米材料(2-5-3)悬浊液，滴涂在MNF(2-5-2)的腰锥中心，干燥箱80℃干燥2h，待干燥箱降至室温后金刚石NSiV双色心纳米材料(2-5-3)均匀涂覆在MNF(2-5-2)的腰锥中心，PDMS的涂覆也采用滴涂法，同样采用移液枪吸取PDMS(2-5-5-1)滴涂在银膜外，干燥箱80℃，干燥2小时；

所述的一种NSiV双色心的磁场与温度双参量测试方法及装置，其特征还在于:

步骤一、对686.25nm-688.75nm范围内对传感波谷进行定位拟合处理:

686.25nm-688.75nm波段光纤光谱近似用高斯函数进行表示，高斯函数是公知类公式，但通过拟合与定位可以确定波谷位置，即

对686.25nm-688.75nm范围内波谷进行定位拟合，对高斯光谱两端取对数

令lnI(λ)＝y₁、

可得到二项式拟合公式：

y₁＝a₁λ²+b₁λ²+c₁λ       (3)

将686.25nm-688.75nm范围内各点处波长带入即可得到对中心波谷进行定位；

步骤二、对688.75nm-691.25nm范围内对传感波峰进行定位拟合处理:

688.75nm-691.25nm波段光纤光谱近似用高斯函数进行表示，高斯函数是公知类公式，但通过拟合与定位可以确定波谷位置，即

对686.25nm-688.75nm范围内波峰进行定位拟合，对高斯光谱两端取对数

令lnI(λ)＝y₂、

可得到二项式拟合公式：

y₂＝a₂λ²+b₂λ²+c₂λ         (7)

将688.75nm-691.25nm范围内各点处波长带入即可得到对中心波峰进行定位；

式中I(λ)表示不同波长所对应的光强，λ_dip1表示686.25nm-688.75nm波段内波谷所对应的波长值，λ_peak2表示688.75nm-691.25nm波段内波峰所对应的波长值，Δλ表示波长变化量，A表示常数，将采集到的波长数据带入到公式(4)与(8)中可得到两个波段波谷及波峰所对应的中心波长值，公式(3)与(7)为二次多项式拟合形式，因此采取最小二乘法对数据进行拟合；

步骤三、同时改变磁场与温度，对不同磁场与温度所对应的波长进行扫描，当磁场强度增大时，686.25nm-688.75nm波段传感波谷向短波长方向漂移，温度增大时，688.75nm-691.25nm波段传感波峰向高强度方向漂移，微处理器对变化的波长进行采集；

步骤四、对采集到的漂移波长组进行取点，I_dip1与λ_peak2表示波谷处所对应的光谱强度值，686.25nm-688.75nm波段以I_dip1±0.1n(n＝0、1、2)为中心水平取5个交点进行标记，688.75nm-691.25nm波段以λ_peak2±0.125n(0、1、2)为中心取点，共取5组，记为L₁、L₂、L₃、L₄、L₅，由于各点处波长拟合存在误差，同时光谱各处会产生形变，因此采取平均波长及强度漂移定义传感器对磁场和温度变化的响应

步骤五、定义平均波长与强度漂移及解调矩阵如下：

式中λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅分别为磁场变化所对应的686.25nm-688.75nm波段波谷所在的L₁、L₂、L₃、L₄、L₅这5组处的波长，I₁、I₂、I₃、I₄、I₅分别为688.75nm-691.25nm波段波峰所在的L₁、L₂、L₃、L₄、L₅这5组处的强度值，代表五组的平均波长漂移量，代表五组平均强度漂移量，表示磁场变化量，ΔT表示温度变化量，S(H,dip₁)磁场变化引起的处的灵敏度，S(T,dip₁)表示温度变化时dip₁处的灵敏度。