一种金刚石NV轴方向标定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种金刚石NV轴方向标定装置，包括控制装置、信号发生装置、信号分析装置、激光光源、微波调制装置、共聚焦光路和静磁场发生装置，控制装置对信号发生装置、微波调制装置、可调电流源和信号分析装置的工作进行控制；共聚焦光路连接锥形光纤，锥形光纤上设置金刚石颗粒，金刚石颗粒处于电磁场与静磁场发生环境中。本发明专利技术还公开一种金刚石NV轴方向标定方法，基于NV色心金刚石每个NV轴向所对应的两条ODMR谱峰的频率差值随静磁场在该NV轴向上的投影强度进行线性变化的特性，通过建立静磁场在NV坐标系下的投影与空间直角坐标下的投影之间的转换关系得到金刚石中NV轴的方向，解决了微米或纳米级金刚石颗粒的NV轴在空间中指向无法确定的问题。

A Diamond NV Axis Direction Calibration Device and Method

The invention discloses a diamond NV axis direction calibration device, which includes a control device, a signal generator, a signal analysis device, a laser source, a microwave modulation device, a confocal optical path and a static magnetic field generator. The control device controls the operation of a signal generator, a microwave modulation device, an adjustable current source and a signal analysis device; the confocal optical path connects a conical optical fiber. Diamond particles are arranged on tapered optical fibers, and the diamond particles are in the environment of electromagnetic field and static magnetic field. The invention also discloses a method for calibrating the direction of NV axis of diamond. Based on the characteristic that the frequency difference of two ODMR peaks corresponding to each NV axis of NV color center diamond varies linearly with the projection intensity of static magnetic field on the NV axis, the direction of NV axis of diamond is obtained by establishing the conversion relationship between the projection of static magnetic field in NV coordinate system and the projection in space rectangular coordinate. The problem that the NV axis of micron or nano diamond particles can not be determined in space is solved.

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石NV轴方向标定装置及方法
本专利技术属于矢量传感器敏感轴空间方向标定
，具体是一种金刚石NV轴方向标定装置及方法。
技术介绍
金刚石又称钻石，是一种由是一种由碳元素构成的矿物，在其原子结构中碳原子按四面体成键方式互相连接。氮空位(Nitrogen-Vacancy；NV)色心是金刚石结构中的一种具有发光特性的自旋缺陷，其主要由一个替换碳原子的氮原子及其相邻的空穴构成。近年来，由于它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，尤其是微小的金刚石颗粒在高分辨率的电磁场温度场成像中的应用。金刚石NV色心具有C3V对称，其对称轴为由氮原子和空穴形成的晶轴，称为NV轴。NV轴方向与金刚石晶相[111]方向一致。根据金刚石的原子结构可知，一个金刚石样本中所有NV色心的对称轴只有四个方向。其每一个轴向NV色心的基态包含|ms＝0>和|ms＝±1>的自旋三重态，其自旋态可以通过光学检测磁共振(opticallydetectedmagneticresonance；ODMR)技术测量得出。当受到外界静磁场影响时，每一个轴向NV色心的ODMR谱会产生塞曼分裂，其分裂宽度与静磁场在该NV轴向上的投影成正比。另外，微波矢量场在每一个NV轴向上的投影强度也会影响该轴向上自旋电子进行Rabi振荡的频率，从而影响外部的荧光强度。因此，利用金刚石NV色心的特性可以进行矢量静磁场与矢量微波场的测量，尤其是NV金刚石结构中四个等效晶轴之间的角度是固定的，相比于传统的多轴矢量传感器，利用这些晶轴进行矢量场敏感时其敏感轴之间的方向误差为零，从而能够使测量数据具有更高精度。然而，利用上述特性进行矢量测量的前提是要建立金刚石样品NV轴坐标系与空间直角坐标系之间的关系。利用现有加工工艺我们可以得到准确的毫米级以上块状金刚石样本的111晶向，从而能够很容易的建立起该金刚石中NV轴坐标系与空间直角坐标系之间的关系。然而，对于微米级甚至纳米级的金刚石颗粒，当其固定于在空间中某一个位置时，其NV轴方向与空间直角坐标系之间相对方向是随机的，无法通过肉眼观察来确定，如图1所示。综上所述，为了建立金刚石颗粒样品NV轴坐标系与空间直角坐标系之间的关系，我们基于不同NV轴向的ODMR谱峰在静磁场作用下的塞曼分裂特性，提出了一种金刚石NV轴方向标定装置及方法。该方法首先通过调整永磁体与金刚石颗粒样品之间的相对位置得到具有八个分离谱峰的ODMR谱，并通过分析每对谱峰间的频率宽度得到每个NV轴向上投影的磁场强度；其次，利用磁场线圈分别对金刚石样品施加沿着空间直角坐标系三轴向上的标准静磁场，并记录每个NV轴向上投影的磁场强度；最后，利用空间坐标转换原理建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的关系。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种金刚石NV轴方向标定装置及方法，通过建立金刚石颗粒样品NV轴坐标系与空间直角坐标系之间的关系解决准确的空间直角坐标系下矢量场测量数据的问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种金刚石NV轴方向标定装置，包括控制装置、信号发生装置和信号分析装置，还包括激光光源、微波调制装置、共聚焦光路和静磁场发生装置，所述静磁场发生装置包括静磁场发生线圈和永磁体；所述控制装置对信号发生装置、微波调制装置、可调电流源和信号分析装置的工作进行控制；所述共聚焦光路连接锥形光纤，所述锥形光纤上设置有金刚石颗粒，所述金刚石颗粒处于电磁场与静磁场发生环境中。优选地，所述微波调制装置包括：带调制功能的微波源、微波开关、声光调制器、声光调制器驱动器、共振微带天线；所述的信号分析装置与共聚焦光路之间还连接有雪崩光电二极管。优选地，所述静磁场发生线圈的平面与共振微带天线表面重合，所述静磁场发生线圈的中点位于共振微带天线的辐射最强点处。优选地，所述永磁体的安装位置需满足：在所述静磁场发生线圈未施加电流时，对金刚石颗粒测得的ODMR数据具有明显分离的八个峰。优选地，所述金刚石颗粒为具有NV色心的纳米级或微米级金刚石颗粒，所述金刚石颗粒放置于共振微带天线的微波辐射最强点处。所述金刚石颗粒粘接于所述锥形光纤的尖端截面上。所述金刚石颗粒在激光脉冲、电磁脉冲以及静磁场的共同作用下进行NV轴方向标定。一种金刚石NV轴方向标定方法，所述方法采用上述的装置实现，所述方法包括：S1，当静磁场发生线圈未被施加电流时，通过调整永磁体与金刚石颗粒之间的相对位置得到金刚石颗粒的具有八个分离谱峰的ODMR谱，对所述的具有八个分离谱峰的ODMR谱信号进行洛伦兹拟合，得到每对NV轴所对应的谱峰之间的频率差值，并根据所述频率差值得到静磁场在每条NV轴向的投影强度；S2，当静磁场发生线圈被施加不同电流时，静磁场发生线圈对金刚石颗粒施加静磁场，得到静磁场环境下金刚石颗粒的ODMR信号，对测得的每一组ODMR信号进行洛伦兹拟合，得到每对NV轴所对应的谱峰之间的频率差值，并根据所述频率差值得到静磁场发生线圈与永磁体共同产生的叠加磁场在每条NV轴向的投影强度；S3，将S2中得到的磁场投影强度减去永磁体所产生的磁场在NV坐标系中的投影强度，即得到静磁场发生线圈产生的静磁场在每条NV轴向的投影强度；S4，当共振微带天线法向分别指向空间直角坐标系x轴、y轴、z轴时，依次重复进行S1至S3，即得到一组3×N的矩阵Mαβγ，利用施加不同线圈磁场时空间直角坐标系中线圈磁场矢量投影得到另一组3×N的矩阵Me；S5，将S4中的矩阵Mαβγ与矩阵Me代入公式中，即得到利用三条NV轴所组成的NV坐标系与空间直角坐标系的转换矩阵。进一步地，金刚石NV坐标系与空间直角坐标系如图2所示，其中金刚石NV轴坐标系包括α，β，γ，δ四个轴向，每个轴向之间的角度约为109.28°；而空间直角坐标系只有X、Y、Z三个轴向，各轴向之间的夹角为90度。如果要将一个固定矢量投影在NV轴分量上的数据转换为空间直角坐标系三分量数据，需要建立两个坐标之间的转换关系，另外选用NV坐标中三个坐标轴就能建立起该转换关系。根据坐标转换原理，可以得出利用NV坐标系中的αβγ轴建立的坐标系与空间直角坐标系之间的转换关系如式(1)所示，同理可以利用其他三种NV轴的组合来建立坐标系进行分析。Hαβγ＝KeαβγHe其中，Hαβγ为NV坐标系αβγ轴向的三分量数据；He为空间直角坐标系XYZ轴向的三分量数据；矩阵Keαβγ为正交坐标系向αβγ坐标系之间的转换矩阵，其内部元素是未知的。根据上式可以得出，两个坐标系对应的多组不同数据之间的转化关系，如式(2)所示。Mαβγ＝KeαβγMe可以将式(2)看成由三个方程个数多于变量个数的超定线性方程组构成，这种方程组一般没有精确解，但可以将其转化为线性最小二乘问题。因此，可以利用式(2)超定线性方程组的最小二乘解得到矩阵Keαβγ，如式(3)所示。优选地，在NV轴方向标定过程中，选用其他NV轴组合来建立空间磁场矢量进行标定运算，所述的其他NV轴组合包括：αβδ轴、βγδ轴、αβγ轴。优选地，在NV轴方向标定过程中，选用能够发射固定方向微波场矢量的天线，通过改变不同的微波功率来改变微波场强度，利用微波场矢量在每个NV轴方向上的投本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石NV轴方向标定装置，包括控制装置、信号发生装置和信号分析装置，其特征在于，还包括激光光源、微波调制装置、共聚焦光路和静磁场发生装置，所述静磁场发生装置包括静磁场发生线圈和永磁体；所述控制装置对信号发生装置、微波调制装置、可调电流源和信号分析装置的工作进行控制；所述共聚焦光路连接锥形光纤，所述锥形光纤上设置有金刚石颗粒，所述金刚石颗粒处于电磁场与静磁场发生环境中。

【技术特征摘要】
1.一种金刚石NV轴方向标定装置，包括控制装置、信号发生装置和信号分析装置，其特征在于，还包括激光光源、微波调制装置、共聚焦光路和静磁场发生装置，所述静磁场发生装置包括静磁场发生线圈和永磁体；所述控制装置对信号发生装置、微波调制装置、可调电流源和信号分析装置的工作进行控制；所述共聚焦光路连接锥形光纤，所述锥形光纤上设置有金刚石颗粒，所述金刚石颗粒处于电磁场与静磁场发生环境中。2.根据权利要求1所述的一种金刚石NV轴方向标定装置，其特征在于，所述微波调制装置包括：带调制功能的微波源、微波开关、声光调制器、声光调制器驱动器、共振微带天线；所述的信号分析装置与共聚焦光路之间还连接有雪崩光电二极管。3.根据权利要求2所述的一种金刚石NV轴方向标定装置，其特征在于，所述静磁场发生线圈的平面与共振微带天线表面重合，所述静磁场发生线圈的中点位于共振微带天线的辐射最强点处。4.根据权利要求1所述的一种金刚石NV轴方向标定装置，其特征在于，所述永磁体的安装位置需满足：在所述静磁场发生线圈未施加电流时，对金刚石颗粒测得的ODMR数据具有明显分离的八个峰。5.根据权利要求1所述的一种金刚石NV轴方向标定装置，其特征在于，所述金刚石颗粒为具有NV色心的纳米级或微米级金刚石颗粒，所述金刚石颗粒放置于共振微带天线的微波辐射最强点处。6.一种金刚石NV轴方向标定方法，所述方法采用如权利要求1至5中任一项所述的装置实现，其特征在于，所述方法包括：S1，当静磁场发生线圈未被施加电流时，通过调整永磁体与金刚石颗粒之间的相对位置得到金刚石颗粒的具有八个分离谱峰的ODMR谱，对所述的具有八个分...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜关祥，陈国彬，董明明，何文豪，刘颖，杨博，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32