基于光纤和微米金刚石的扫描磁探头、磁测量系统及其磁成像装置制造方法及图纸

技术编号:24289202 阅读:131 留言:0更新日期:2020-05-26 19:50
本发明专利技术提供了一种基于光纤与微米金刚石扫描磁探头,所述磁探头包括:光纤、微米金刚石和微波天线;其中,所述光纤为光纤锥;所述微米金刚石含有集群NV中心,所述微米金刚石通过紫外胶固定在光纤尖端上;所述微波天线缠绕在靠近光纤锥尖端处。还提供了其磁测量系统及磁成像装置。本申请提供的系统基于光纤和微米金刚石的扫描磁探头的磁测量装置的可实现对狭小空间或厘米量级的样品进行快速的扫描磁成像,且在室温下保持微米尺度的成像分辨率。

Scanning magnetic probe, magnetic measurement system and magnetic imaging device based on optical fiber and micro diamond

【技术实现步骤摘要】
基于光纤和微米金刚石的扫描磁探头、磁测量系统及其磁成像装置
本专利技术属于微磁测量
,尤其涉及一种基于光纤与微米金刚石的扫描磁探头、磁测量系统及其磁成像装置。
技术介绍
自旋量子传感技术,是一种利用自旋量子态对测试样品产生的微弱信号的灵敏响应,来实现对样品产生的磁场、电场、温度、压强的无损测量。金刚石中的NV中心,由于其电子自旋量子态对周围微弱磁场十分灵敏,且可以便捷高效地被激光和微波脉冲所极化、操作和读出,是一个优秀的量子传感探针。已有的金刚石NV探针和测量装置,需要通过物镜来实现NV荧光的激发和收集,复杂和脆弱的成像收集系统极大地限制了光探磁共振和量子传感技术的适用场景,例如物镜成像的方式极不适用于厘米尺寸样品高磁灵敏度和高空间分辨率的快速磁成像。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷,提供一种基于光纤和微米金刚石的扫描磁探头、磁测量系统及磁成像装置。在阐述本专利技术的技术方案之前,定义本文中所使用的术语如下:术语“NV”是指:氮空位。为实现上述目的,本专利技术的第一方面提供了一种基于光纤与微米金刚石扫描磁探头,所述磁探头包括:光纤、微米金刚石和微波天线;其中,所述光纤为光纤锥;所述微米金刚石含有集群NV中心,所述微米金刚石通过紫外胶固定在光纤尖端上;所述微波天线缠绕在靠近光纤锥尖端处。根据本专利技术第一方面的磁探头,其中,所述光纤的截面直径为50~200μm,优选为80~150μm,最优选为100μm;和/或所述光线锥的尖端直径为0.1~5μm,优选为0.5~2μm,最优选为1μm。根据本专利技术第一方面的磁探头,其中,所述微米金刚石的直径为0.5~10μm,优选为0.5~2μm,最优选为1μm;和/或所述金刚石颗粒的含氮量为10~30ppm,优选为15~25ppm,最优选为20ppm。根据本专利技术第一方面的磁探头,其中,所述微波天线的材料选自以下一种或多种:铜、金;优选为铜;和/或所述微波天线的直径为10~50μm,优选为10~30μm,最优选为20μm。本专利技术的第二方面提供了一种磁测量系统,所述磁测量系统包括:如第一方面所述的磁探头、光学激发和收集装置、样品位移装置、静磁场和信号处理装置;优选地,所述样品位移装置包括三维压电陶瓷扫描台和大行程电动机械位移台。根据本专利技术第二方面的磁测量系统,其中,所述光学激发和收集装置包括:激光器、声光调制器、二向色镜、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光纤和雪崩光电二极管。根据本专利技术第二方面的磁测量系统,其中,所述激光器用发射所述预设波长的激光;所述声光调制器对所述激光器发射的激光进行调制,并将激光投射到二向色镜上;所述二向色镜用于将所述激光反射到第一光纤耦合器,并且透过所述磁探头收集的荧光到第二光纤耦合器;所述第二光纤耦合器通过光纤与所述雪崩光电二极管相连接,用于将NV荧光聚集并传递到雪崩光电二极管;所述雪崩光电二极管用于将所述第二光电耦合器接收到的所述荧光转换为电信号。根据本专利技术第二方面的磁测量系统,其中,所述预设波长为400~600nm,优选为480~560nm,最优选为532nm。本专利技术的第三方面提供了一种快速扫描磁成像装置,所述装置包括如第一方面所述的磁探头和/或如第二方面所述的磁测量系统。根据本专利技术第三方面的装置,所述装置用于对厘米量级的样品进行快速的扫描磁成像。本专利技术的目的是为了解决传统磁测量中,无法实现厘米尺寸样品高磁灵敏度和高空间分辨率快速磁成像的问题。本专利技术使用微米金刚石和光纤组合而成的新型磁探头,可极大提升磁测量的灵敏度和效率。本专利技术技术方案如下:本专利技术提供了一种基于光纤与微米金刚石扫描磁探头以及其测试方法,所述光纤与微米金刚石组合成的复合磁探头,是将含有集群NV中心的微米金刚石通过紫外胶固定在光纤尖端上;其中光纤原有截面直径为100μm,经去除外包皮再加热拉伸为最终尖端直径为1μm的光纤锥,金刚石尺寸1μm;其中在靠近光纤锥尖端处缠绕了直径20μm铜线的作为微波天线。本专利技术还提供了一种检测方法,该样品检测方法包括:采用上述扫描磁探头实现对大尺寸磁性样品的快速扫描。其中检测系统,主要包括光学激发和收集装置、基于光纤与微米金刚石的扫描探头、样品扫描台装置、静磁场调节装置、微波脉冲调控装置以及信号处理装置。其中:所述光学激发和收集装置用于使用设定的激发波长的激光激发金刚石中的NV中心的电子状态。所述基于光纤与微米金刚石的扫描探头,可用于将激光传输到微米金刚石上,并对微米金刚石NV中心在该激光激发后辐射的荧光信号进行收集。所述样品位移装置,是由三维压电陶瓷来实现样品与探头纳米精度的相对位移,完成样品的精准快速扫描。所述静磁场调节装置,用于施加和改变上述金刚石NV中心的偏置磁场强度和磁场方向,从而实现样品位置矢量磁场的测试。所述微波脉冲调控装置,提供调制的微波脉冲,并通过天线将微波信号加载到金刚石中心上。所述信号处理装置,用于将收集的荧光信号进一步处理完成磁成像。可选的,所述光学激发和收集控制装置、声光调制器、二向色镜、第一光纤耦合器、光纤锥与金刚石的复合探针、第二光纤耦合器和雪崩光电二极管,其中:所述激光器用发射所述预设波长的激光;所述声光调制器,用来完成对所述激光器发射的激光进行调制,并将激光投射到二向色镜上。所述二向色镜用于将所述激光反射到第一光纤耦合器,并且透过所述磁探头收集的荧光到第二光纤耦合器;所述第二光纤耦合器通过光纤与所述雪崩光电二极管相连接,用于将平行光聚集并传递到雪崩光电二极管;所述雪崩光电二极管用于将所述第二光电耦合器接收到的所述荧光转换为电信号。可选的,所述预设波长包括532nm。可选的,所述金刚石颗粒直径1μm、含氮量为20ppm。从上述的技术方案可以看出,本申请公开了基于光纤与微米金刚石的扫描探头的磁测量系统,该系统用于对待测样品进行磁成像测量。具体包括光学激发和收集装置、样品扫描装置、基于光纤与微米金刚石的扫描探头、静磁场、微波调整装置以及信号处理装置。光学激发和收集装置用于利用预设波长的激光激发该NV中心的电子状态,记录所述NV中心发出的荧光,并输出反映该荧光的荧光信号;样品位移装置用于控制样品与复合磁探针的相对位移,实现样品XYZ三个方向的扫描;静磁场调节装置用于控制施加在所述金刚石NV中心的静磁场,建立NV中心矢量磁场的测试方案;微波装置通过天线将调制的微波脉冲导入金刚石NV中心中,来实现微波操控NV中心的能带跃迁;信号处理装置用于根据荧光信号重构待测样品在微米量级分辨率的磁场,从而能够实现对待测样品磁场的测量。本申请提供的系统基于光纤和微米金刚石的扫描磁探头的磁测量装置的可实现对狭小空间和厘米量级样品的快速扫描磁成像,且在室温下保持微米尺度的成像分辨率。可广泛应用于凝聚态物理、材料、地质学等多个前沿研究领域。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤与微米金刚石扫描磁探头,其特征在于,所述磁探头包括:光纤、微米金刚石和微波天线;/n其中,所述光纤为光纤锥;所述微米金刚石含有集群NV中心,所述微米金刚石通过紫外胶固定在光纤尖端上;所述微波天线缠绕在靠近光纤锥尖端处。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤与微米金刚石扫描磁探头,其特征在于,所述磁探头包括:光纤、微米金刚石和微波天线;
其中,所述光纤为光纤锥;所述微米金刚石含有集群NV中心,所述微米金刚石通过紫外胶固定在光纤尖端上;所述微波天线缠绕在靠近光纤锥尖端处。


2.根据权利要求1所述的磁探头,其特征在于,所述光纤的截面直径为50~200μm,优选为80~150μm,最优选为100μm;和/或
所述光线锥的尖端直径为0.1~5μm,优选为0.5~2μm,最优选为1μm。


3.根据权利要求1或2所述的磁探头,其特征在于,所述微米金刚石的直径为0.5~10μm,优选为0.5~2μm,最优选为1μm;和/或
所述金刚石颗粒的含氮量为10~30ppm,优选为15~25ppm,最优选为20ppm。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁探头,其特征在于,所述微波天线的材料选自以下一种或多种:铜、金;优选为铜;和/或
所述微波天线的直径为10~50μm,优选为10~30μm,最优选为20μm。


5.一种磁测量系统,其特征在于,所述磁测量系统包括:如权利要求1至4中任一项所述的磁探头、光学激发和收集装置、样品位移装置、静磁场和信号处理装置;
优选地,所述样品...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘刚钦潘新宇郭彦召商延兴卢亚男俞永宏
申请(专利权)人:中国科学院物理研究所
类型:发明
国别省市:北京;11

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