一种基于Aharonov‑Anandan几何相的金刚石色心陀螺仪及角速度测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Aharonov‑Anandan几何相的金刚石色心陀螺仪及角速度测量方法，该陀螺仪包括：反射镜、永磁铁、衬底、金刚石样品、第一微波线圈、第二微波线圈、多个面阵CCD、多个滤波片、第三微波线圈、第一凸透镜、激光器、偏振片、二向色镜和第二凸透镜。本发明专利技术同时还提出了一种利用所述金刚石色心陀螺仪测量角速度的方法。本发明专利技术提出的陀螺仪具有体积小、量程大等特点，因此在制导弹药方面具有潜在的应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁共振
，尤其是一种基于Aharonov-Anandan几何相的金刚 石色心陀螺仪及相应的角速度测量方法。
技术介绍
陀螺仪是一种用于测量角速率或角度的传感器，主要用于惯性导航、姿态控制等 领域。陀螺仪的种类繁多，按照工作原理可分为机械转子陀螺、光学陀螺、微机电（MEMS)陀 螺和量子陀螺等类型。目前，小型化是陀螺仪的发展方向之一，小型化的陀螺能带来一些新 的应用，比如目前比较常见的一种小型化陀螺是基于微机电技术的MEMS陀螺，该陀螺已经 被广泛的应用在手机、平板电脑等消费类电子产品上，但MEMS陀螺的主要缺点是，主要依 靠电容来读出信号，灵敏度很难提高。另外一种小型化陀螺是基于金刚石色心体系的NV陀 螺，该陀螺的灵敏度高于MEMS陀螺。 NV(nitrogen vacancy)色心是金刚石的一种缺陷，它是由一个取代碳原子的氮原 子和氮原子邻近的一个空位组成的。NV色心具有顺磁性，可以利用磁共振技术来操纵电子 自旋，并使用激光来初始化和读出电子的自旋状态。NV色心在量子计量方面有着重要的潜 在应用，它可以在纳米尺度上对于弱磁信号进行测量，也可以用来探测旋转。 目前基于NV色心的陀螺仪解决方案主要有三种：一种是基于NV中氮核自旋 的方案，具体可参考文献：Physical Review A 86,062104 (2012) Stable three-axis nuclear-spin gyroscope in diamond，该方案利用氮核自旋的量子态来累积与旋转有关的 相位，但其在对氮核自旋的极化过程中需要强的交变磁场，功耗较大；另一种是基于NV电 子上 Berry 相的方案，具体可参考文献：Physical Review A 86,052116(2012)Gyroscopes based on nitrogen-vacancy centers in diamond，该方案结构简单，但其对磁场的稳定性 提出了苛刻的要求，若要使该陀螺仪保持理论上〇. 31度/秒的分辨率，则在测量过程中磁 场的波动需要保持在3X 10%高斯以内；第三种是基于non-Abelian几何相的方案，具体可 参考文献：Physical Review A 90,042116(2014)Non_Abelian geometric phase in the diamond nitrogen-vacancy center，该方案通过施加静磁场来实现|〇 >与| ±1 >之间的 能级简并，进而利用简并能级来观测non-Abelian几何相，但由于受NV中氮核自旋的影响， 该方案很难做到理想简并，因此对于实验精度的影响较大。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种基于NV电子上 Aharonov-Anandan几何相的陀螺仪及相应的角速度测量方法，以利用Aharonov-Anandan 几何相来获得角速度。 根据本专利技术的一方面，提出一种基于Aharonov-Anandan几何相的金刚石色心陀 螺仪，该陀螺仪包括：反射镜、永磁铁、衬底、金刚石样品、第一微波线圈、第二微波线圈、多 个面阵CCD、多个滤波片、第三微波线圈、第一凸透镜、激光器、偏振片、二向色镜和第二凸透 镜，其中：所述反射镜安装在所述陀螺仪的底部，用于反射从金刚石样品发射出并到达底部 的荧光；所述永磁铁安装在所述反射镜上，用于产生磁场，以使电子自旋产生能级分裂；所 述衬底粘结在永磁铁上；所述金刚石样品、第一微波线圈和第二微波线圈固定放置在所述 衬底上，且所述第一微波线圈和第二微波线圈嵌套于所述金刚石样品的外侧；所述陀螺仪 下部的四壁上分别设有四个面阵CCD，每个面阵CCD朝向所述金刚石样品的一侧均设有滤 波片；所述面阵CCD远离底部的一端架设有第三微波线圈；所述第三微波线圈的底部固定 设有第一凸透镜；所述陀螺仪的一中部器壁上固定设有激光器，用于产生激光；所述激光 器的出光处设有偏振窗口，所述偏振窗口中设有偏振片，用于产生高偏振度的激光；所述激 光器的前方斜设有二向色镜；所述中部器壁的顶端架设有滤波片，用于过滤背景光；所述 滤波片朝向顶部的一侧粘结有第二凸透镜，用于汇聚从底部发出的荧光；所述陀螺仪的顶 部设有第五面阵(XD。 可选地，所述衬底采用无荧光特性且无磁性材料。 可选地，所述第一微波线圈产生具有第一频率的微波，所述第二微波线圈产生 具有第二频率4的微波。 可选地，所述第三微波线圈能够相对于所述金刚石样品旋转，并产生具有第三频 率4的微波。 可选地，所述反射镜、四个面阵CCD、相应的滤波片和第三微波线圈组成一个封闭 的空间，所述永磁铁、衬底、金刚石样品、第一微波线圈、第二微波线圈置于该封闭空间内。 可选地，所述激光器为VCSEL激光器或半导体激光器。 可选地，所述二向色镜以与水平面呈45度角的方向设置在所述激光器的前方。 可选地，三个所述陀螺仪正交摆放形成三轴陀螺仪。 根据本专利技术的另一方面，还提出了一种利用所述金刚石色心陀螺仪测量角速度的 方法，所述方法包括以下步骤： 步骤1，将三个陀螺仪相互正交摆放，对于每个陀螺仪分别执行步骤2-4 ; 步骤2,使用中心波长为532纳米的激光器照射金刚石样品数微秒以初始化电子 自旋到|〇 >态； 步骤3,使用具有第一频率4的第一微波上的第一个31/2脉冲将电子自旋制备到 〇 >与|1 >的叠加态；然后使用具有第三频率4的第三微波上的第一个31脉冲，操纵电 子自旋到|1>与|_1>的叠加态上，之后进入时长为T的第一阶段自由演化；在T时刻 施加解耦脉冲，然后再经过T时间的第二阶段自由演化；将第一阶段自由演化、解耦、第二 阶段自由演化的过程重复2k轮，其中，k为正整数，4kXT小于自旋相干时间，施加第三微 波上与旋转相关的第二个脉冲，将1-1 >上的布局度转移到|1 >上，此时得到|〇 >与 1>的叠加态； 步骤4,施加第一微波上的最后一个jt/2脉冲，将相位信息反映到电子自旋的布 局度上，之后照射中心波长为532纳米的激光，通过收集荧光来获取角速率信息； 步骤5,利用得到的三个方向上的角速率还原出角速度。 本专利技术的陀螺仪具有NV陀螺仪的共同优点：通过照射微秒级别的激光脉冲来完 成初始化，启动时间快，陀螺仪的初始化与读出通过激光来完成，所花时间处于微秒量级； 利用原子尺度的自旋来工作，因此体积小，探头部分一般在立方毫米量级。此外该陀螺仪还 具有一些有别以上NV陀螺仪的优点：由于利用的是电子自旋，因此本专利技术陀螺仪不需要极 化氮核自旋，故初始化过程不需要强的交变磁场，从而有效地降低了功耗；本专利技术采用了动 力学解耦技术，有效地削弱了中心电子自旋与外界的耦合，使得该陀螺仪可以对抗温度漂 移、杂散磁场等因素带来的低频噪声，进而降低了对磁场稳定性的要求；该陀螺仪还具有量 程大的优点，以13. 45微秒的累积相位时间为例，其对应的量程可以达到±6. 69X 106度/ 秒。换句话说，本专利技术解决了基于NV中氮核陀螺仪功耗大的问题，解决了基于NV中Berry 相陀螺仪对磁场稳定性要求高的问题，实现了陀螺仪的小型化，同时还能够保持着较本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Aharonov‑Anandan几何相的金刚石色心陀螺仪，其特征在于，该陀螺仪包括：反射镜、永磁铁、衬底、金刚石样品、第一微波线圈、第二微波线圈、多个面阵CCD、多个滤波片、第三微波线圈、第一凸透镜、激光器、偏振片、二向色镜和第二凸透镜，其中：所述反射镜安装在所述陀螺仪的底部，用于反射从金刚石样品发射出并到达底部的荧光；所述永磁铁安装在所述反射镜上，用于产生磁场，以使电子自旋产生能级分裂；所述衬底粘结在永磁铁上；所述金刚石样品、第一微波线圈和第二微波线圈固定放置在所述衬底上，且所述第一微波线圈和第二微波线圈嵌套于所述金刚石样品的外侧；所述陀螺仪下部的四壁上分别设有四个面阵CCD，每个面阵CCD朝向所述金刚石样品的一侧均设有滤波片；所述面阵CCD远离底部的一端架设有第三微波线圈；所述第三微波线圈的底部固定设有第一凸透镜；所述陀螺仪的一中部器壁上固定设有激光器，用于产生激光；所述激光器的出光处设有偏振窗口，所述偏振窗口中设有偏振片，用于产生高偏振度的激光；所述激光器的前方斜设有二向色镜；所述中部器壁的顶端架设有滤波片，用于过滤背景光；所述滤波片朝向顶部的一侧粘结有第二凸透镜，用于汇聚从底部发出的荧光；所述陀螺仪的顶部设有第五面阵CCD。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：浮建伟，代映秋，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