一种基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法制造方法及图纸

技术编号:19776751 阅读:30 留言:0更新日期:2018-12-15 10:47
本发明专利技术公开了一种基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法,本发明专利技术技术方案中,磁敏感单元的电子在不同强度的外磁场作用下,电子能级之间的塞曼分裂不同,通过调控场以及调控激光对电子施加连续激发操控,可以使得体系的自旋达到平衡状态,体系自旋布居度受外磁场影响。由此,可以得到强度随体系自旋布居度变化的荧光信号,根据外磁场强度的不同,可以得到不同强度的荧光信号。本发明专利技术技术方案是在平衡态下进行测量,是一种稳态的测量,不受体系豫驰时间的限制,可以大幅度提高磁场测量时的频率范围,具有较高的动态范围。

【技术实现步骤摘要】
一种基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法
本专利技术涉及磁场测量
,更具体的说,涉及一种基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法。
技术介绍
磁场测量广泛应用于地球与空间物理、军事技术、生物与医学、工业等领域,发挥着重要的作用,成为当代不可或缺的测量手段。现阶段用于磁场测量的传感器类型较多,主要包括磁通门传感器、探测线圈传感器、霍尔传感器、磁阻传感器、巨磁阻抗磁传感器、量子超导干涉仪(SQUID)以及基于固态自旋的磁传感器等。近年来,基于固态自旋的量子信息处理手段快速发展,带来新的技术更新,推动了固态自旋传感器技术的发展。其具有高空间分辨率和高灵敏度,加上良好的可扩展性和容易控制等优点,固态自旋体系成为人们研究的热点。电子具有自旋磁矩,在外磁场的作用下,电子的能级会发生分裂,一个能级将分裂为若干个磁次能级,称作塞曼分裂。电子在不同的能级之间跃迁时,须遵守跃迁选择定则,而这与两个能级的各个量子数有关。所以电子在不同的能级之间能否跃迁,要取决于电子的自旋状态。现有的固态自旋磁传感器测量磁场采用脉冲式测磁方式:当电子自旋处于叠加态时,外界磁场会使得不同的基矢上累加相对相位。因此,首先将体系制备到叠加态,然后使其在外磁场下自由演化或用激光或微波脉冲序列控制其演化,这时体系的叠加态会积累相对相位。最后将相对相位映射到布居度上,读出信号,从而得到磁场的信息。由于读出的信号强度随相对相位呈周期性变化,故只能在一定的相对相位范围内进行测量,而相对相位受外磁场强度以及测量时间影响,测量时间受到体系弛豫时间的限制,所以可测的外磁场强度由于体系弛豫时间的限制无法达到较大的范围,此测量方式的动态范围较低。此外,目前基于固态自旋的脉冲式磁传感器主要有两种测量模式:DC测量模式和AC测量模式,但是DC测量模式为时域上的信号测量,受到采样率、系统信号转换响应时间等限制,其具有频率测量的上限(一般不超过100Hz),即频率不大于100Hz,同时,由于固态自旋的性质(例如体系的弛豫时间)等原因限制,AC测量模式具有频率测量的下限(一般为kHz),即频率范围不小于1KHz,所以两种测量模式上下限之间频率范围(100Hz-1KHz)的磁场无法直接测得。而由于现有测量模式无法测量的频段范围的磁场在地磁场测量以及生物磁场监测方面有重要的应用,因此,如何提供一种具有较宽频率范围的磁场测量装置是磁场测量领域一个亟待解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述问题,本专利技术技术方案提供了一种基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法,具有较宽的频率测量范围。为了实现上述目的,本专利技术提供如下技术方案:一种基于固态自旋的磁场测量装置,所述磁场测量装置包括:测量件,所述测量件包括基于固态自旋的磁敏感单元;光源模块,所述光源模块用于出射照射所述测量件的调控激光;调控模块,所述调控模块用于为所述测量件提供调控场;静磁场模块,所述静磁场模块用于为所述测量件提供设定的静磁场;检测模块,所述检测模块用于获取所述测量件在待测磁场、所述调控激光、所述调控场以及所述静磁场作用下出射的荧光信号,基于所述荧光信号测量所述待测磁场。优选的,上述磁场测量装置中,所述测量件为具有NV色心的金刚石块,所述NV色心为所述磁敏感单元。优选的,上述磁场测量装置中,所述光源模块包括:光源以及光学单元,所述光源装置出射的光信号经过所述光学单元处理后,形成所述调控激光。优选的,上述磁场测量装置中,所述光源为激光器,所述激光器出射激光的波长为532nm;所述光学单元用于对所述激光器出射的激光进行准直以及聚焦处理,形成所述调控激光出射,照射到所述测量件的预设位置。优选的,上述磁场测量装置中,所述调控模块包括:调控源以及与所述调控源连接的微带天线;其中,所述调控源用于驱动所述微带天线形成所述调控场。优选的,上述磁场测量装置中,所述调控源为微波源,用于使得所述微带天线形成微波场,所述微波场为所述调控场。优选的,上述磁场测量装置中,所述静磁场模块包括:静磁场装置以及电源;其中,所述电源用于驱动所述静磁场装置形成所述静磁场。优选的,上述磁场测量装置中,所述静磁场装置为静磁场线圈。优选的,上述磁场测量装置中,所述检测模块包括:信号接收转换单元以及测量单元;在测量所述待测磁场时,所述磁敏感单元出射的荧光信号入射所述信号接收转换单元,所述信号接收转换单元用于将所述荧光信号转换为电信号;所述测量单元用于基于所述电信号测量所述待测磁场。本专利技术还提供了一种基于固态自旋的磁场测量方法,用于上述任一项所述的磁场测量装置,其特征在于,所述磁场测量方法包括:通过静磁场模块为所述测量件提供设定强度的静磁场,使得磁敏感单元发生塞曼分裂;使得调控模块以及光源模块工作,为所述测量件提供调控场以及调控激光,对所述磁敏感单元进行连续激发操控,其中,所述调控场使得所述磁敏感单元在自旋能级之间跃迁,所述调控激光使得所述磁敏感单元在基态与激发态之间跃迁,在所述调控场与所述调控激光的共同作用下,自旋体系达到平衡态后,出射强度与体系自旋布居度相关的荧光信号;将所述测量件置于待测磁场中,保持所述调控场、所述调控激光以及所述静磁场不变,在所述待测磁场作用下,所述磁敏感单元的塞曼分裂能级差改变,在所述调控场以及所述调控激光作用下,使得自旋体系达到另一平衡态,体系自旋布居度改变,出射荧光信号改变,改变后的荧光信号包括待测磁场的测量参数;通过检测模块将改变后的荧光信号转换为电信号,基于所述电信号测量所述待测磁场。通过上述描述可知,本专利技术技术方案提供的基于固态自旋的磁场测量装置以及磁场测量方法中,磁敏感单元的电子在不同强度的外磁场作用下,电子能级之间的塞曼分裂不同,通过调控场以及调控激光对电子施加连续激发操控,可以使得体系的自旋达到平衡状态,体系自旋布居度受外磁场影响。由此,可以得到强度随体系自旋布居度变化的荧光信号,根据外磁场强度的不同,可以得到不同强度的荧光信号。本专利技术技术方案是在平衡态下进行测量,是一种稳态的测量,不受体系豫驰时间的限制,可以大幅度提高磁场测量时的频率范围,具有较高的动态范围。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种基于固态自旋的磁场测量装置的结构示意图;图2为本专利技术实施例所述磁场测量装置的测量带宽的曲线图;图3为本专利技术实施例提供的一种磁场测量方法的流程示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本专利技术保护的范围。如
技术介绍
所述,基于固态自旋的脉冲式磁传感器两种常规测量模式中,DC测量模式为时域上的信号测量,受到采样率、系统信号转换响应时间等限制,其具有频率测量的上限(一般不超过100Hz),同时,由于固态自旋的性质(例如体系的弛豫时间)等原因限制,AC测量模式具本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种基于固态自旋的磁场测量装置,其特征在于,所述磁场测量装置包括:测量件,所述测量件包括基于固态自旋的磁敏感单元;光源模块,所述光源模块用于出射照射所述测量件的调控激光;调控模块,所述调控模块用于为所述测量件提供调控场;静磁场模块,所述静磁场模块用于为所述测量件提供设定的静磁场;检测模块,所述检测模块用于获取所述测量件在待测磁场、所述调控激光、所述调控场以及所述静磁场作用下出射的荧光信号,基于所述荧光信号测量所述待测磁场。

【技术特征摘要】
1.一种基于固态自旋的磁场测量装置,其特征在于,所述磁场测量装置包括:测量件,所述测量件包括基于固态自旋的磁敏感单元;光源模块,所述光源模块用于出射照射所述测量件的调控激光;调控模块,所述调控模块用于为所述测量件提供调控场;静磁场模块,所述静磁场模块用于为所述测量件提供设定的静磁场;检测模块,所述检测模块用于获取所述测量件在待测磁场、所述调控激光、所述调控场以及所述静磁场作用下出射的荧光信号,基于所述荧光信号测量所述待测磁场。2.根据权利要求1所述的磁场测量装置,其特征在于,所述测量件为具有NV色心的金刚石块,所述NV色心为所述磁敏感单元。3.根据权利要求1所述的磁场测量装置,其特征在于,所述光源模块包括:光源以及光学单元,所述光源装置出射的光信号经过所述光学单元处理后,形成所述调控激光。4.根据权利要求3所述的磁场测量装置,其特征在于,所述光源为激光器,所述激光器出射激光的波长为532nm;所述光学单元用于对所述激光器出射的激光进行准直以及聚焦处理,形成所述调控激光出射,照射到所述测量件的预设位置。5.根据权利要求1所述的磁场测量装置,其特征在于,所述调控模块包括:调控源以及与所述调控源连接的微带天线;其中,所述调控源用于驱动所述微带天线形成所述调控场。6.根据权利要求5所述的磁场测量装置,其特征在于,所述调控源为微波源,用于使得所述微带天线形成微波场,所述微波场为所述调控场。7.根据权利要求1所述的磁场测量装置,其特征在于,所述静磁场模块包括:静磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员:代映秋朱云彬荣星杜江峰
申请(专利权)人:中国科学技术大学
类型:发明
国别省市:安徽,34

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