一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，包括：微波发生器、微波开关(含负载)、倍频放大装置组、PCB板(含样品材料)、电磁铁、共聚焦光路装置组、单光子探测器、数据采集卡、计算机(含时序卡)。通过微波发生器、微波开关和倍频放大装置组提供微波序列，通过共聚焦光路装置组提供泵浦光并收集荧光信号，荧光信号依次进入单光子探测器、数据采集卡、计算机，从而实现样品材料的ODMR信号探测。目前市面上微波发生器的输出频率以及微波开关的工作频率与工作模式无法满足宽频段ODMR信号探测的需求，本实用新型专利技术基于倍频放大装置组，可实现500MHz‑10GHz的宽频ODMR信号探测，具有可探测ODMR信号频率范围大、材料种类多、适用性广、可扩展性强等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置
本技术涉及量子光学领域，具体涉及一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置。
技术介绍
ODMR指光学探测磁共振(OpticallyDetectedMagneticResonance)，基本原理是通过探测微波信号与样品材料劈裂能级共振时的样品荧光强弱变化程度，从而探测荧光色心的自旋能级结构。下面先以被研究最多的金刚石NV色心为例来进一步说明。图2为金刚石NV色心的ODMR原理图(Eur.Phys.J.D(2015)69:166.)。如图2-b和图2-c，NV色心存在两个自旋三重态能级，分别为基态F和激发态E，每个能级又根据电子自旋分裂为ms＝0和ms＝±1两个能级，其中ms＝±1在无磁场时为简并能级，但在有外磁场作用下会产生塞曼效应从而能级劈裂为ms＝+1和ms＝-1两个能级。这里所说的外磁场可能来自于实验者主动所加的磁场，也可能来自地磁场等外界噪声，因此ms＝±1一般而言都会产生小的劈裂，而这一劈裂在主动外加磁场下变得更加明显。另外值得强调的一点是，如图2-a所示，能产生塞曼劈裂的磁场是平行于N-V轴的磁场分量。当给NV色心加一泵浦光(532nm)时，载流子从基态的ms＝0激发到某一高能级态(绿色箭头)，进而无辐射跃迁回激发态的ms＝0(黑色箭头)，接着跃迁回基态ms＝0并发出荧光(红色箭头)。同样地，对于激发态ms＝±1和基态ms＝±1之间也有类似的循环，不过由于NV色心还存在一个亚稳态M，而ms＝±1能级与亚稳态M有着比ms＝0与亚稳态M更强的耦合作用，所以当载流子处于激发态ms＝±1时，有着较大概率进行无辐射跃迁到亚稳态M(黑色箭头)，从而减少了ms＝±1循环的荧光发光强度。因此ms＝±1循环的荧光发光强度要比ms＝0循环弱很多，这样当给NV色心加一频率为v0＝2.88GHz的微波使基态ms＝0和基态ms＝±1产生共振，从而使ms＝0和ms＝±1的载流子布居数出现变化，也就改变了ms＝0和ms＝±1循环的载流子数目，从而整体发出的荧光强度也会出现变化。不过当考虑到加上外磁场后，ms＝±1能级产生劈裂，共振微波频率不再是2.88GHz，而变成与外磁场大小有关的以2.88GHz为中心值的两个共振频率。例如NV色心塞曼劈裂约为28MHz/mT，所以外磁场的N-V平行分量为10mT时ODMR共振频率为2.88GHz±0.28GHz即2.60GHz和3.16GHz。实验中改变输入微波信号的频率大小，探测样品材料发出的荧光强度是否出现了变化从而判断是否产生共振，再根据共振频率的大小推算出外磁场大小，这就是光学探测磁共振。下面再讨论六方氮化硼(hBN)的ODMR。图3为文献给出的hBN的某种缺陷能级结构示意图(arXiv:1906.03774(2019))，同样地，通过加微波信号使得载流子布居数在两个发光循环中重新分布，从而改变荧光强度，对于hBN来说其共振中心波长约为3.48GHz。图4和图5为文献中理论预言的hBN缺陷能级结构图(Phys.Rev.B97,064101(2018))，文中一共给出了9中理论上可能的缺陷结构与能级，其中图4代表的VBCN型缺陷能级存在基态三重态结构，且能级差为7.15GHz，故这种缺陷能级可以产生中心频率7.15GHz的ODMR信号。图5代表的VNCB型缺陷能级存在亚稳态三重态结构，能级差为8.6GHz，故这种缺陷能级可以产生中心频率8.6GHz的ODMR信号。这些色心缺陷可以用作量子比特、用于量子存储等重要的量子计算领域。但这两种缺陷均超出了未倍频的ODMR探测频率上限5GHz，可见高频ODMR信号的探测手段是必需的。进一步地，以上提到的ODMR信号频率范围就有从金刚石NV色心的2.88GHz到hBN的8.6GHz之广，将来还会有更多的未知材料或者已知材料的未知缺陷能级，它们的能级结构我们未知，可能的ODMR信号频率未知，因此一个宽频的ODMR探测手段极其重要，有助于我们系统地探测某种材料的ODMR信号。
技术实现思路
(一)要解决的问题本技术要解决的技术问题是使用现有的微波发生器和微波开关将无法探测较宽频率范围的ODMR信号，从而可探测的材料种类和材料ODMR信号种类有限。(二)技术方案为解决上述技术问题，本技术提出一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，包括一个微波发生器、一个微波开关、一个倍频放大装置组、一个PCB板、一个电磁铁、一个共聚焦光路装置组、一个单光子探测器、一个数据采集卡和一个计算机；所述微波发生器用于发出微波信号；所述微波开关含负载，所述微波开关用于接受微波信号，并根据计算机发出的时间序列选择是否传递微波信号；所述倍频放大装置组由前置放大器A1、倍频元件、后置放大器A2组成，微波信号经A1放大后进入倍频元件，倍频后再经A2二次放大；所述PCB板用于承载待测样品材料，并把接入的微波信号加在样品材料上；所述电磁铁用于给样品材料提供磁场，从而产生塞曼效应能级劈裂；所述共聚焦光路装置组由一个532nm激光器、一个光耦合器、两个滤波片、一个分束器、一个物镜组成，激光器产生泵浦光经滤光片、分束器和物镜聚焦在PCB板的样品材料上，样品产生的受到微波信号调制的荧光经物镜、分束器返回至另一路再经滤光片进入耦合器；所述单光子探测器用于探测共聚焦光路装置组传递的荧光信号；所述数据采集卡用于根据时间序列对单光子探测器探测到的光子进行计数；所述计算机含时序卡，所述计算机用于一方面产生时间序列给微波开关和数据采集卡，一方面接收数据采集卡的计数结果。根据本技术的具体实施方式，微波发生器品牌型号为Mini-Circuits的SSG-6000RC，输出频率范围为25MHz-6000MHz；微波开关品牌型号为Mini-Circuits的ZASWA-2-50DRA+，工作频率为DC-5000MHz；前置放大器A1品牌型号为Mini-Circuits的ZX60-6013E+，工作频率为20MHz-6000MHz；倍频元件品牌型号为Mini-Circuits的CY2-143+，输入频率为2000MHz-7000MHz，输出频率为4000MHz-14000MHz；后置放大器A2品牌型号为Mini-Circuits的ZVA-183G+，工作频率为500MHz-18000MHz。因此通过倍频放大装置，可探测的ODMR信号范围由25MHz-5000MHz变为了4000MHz-10000MHz；另一方面如果微波开关不接入倍频元件，而通过非倍频放大线路直接接入放大器A2，便可以获得500MHz-5000MHz的微波信号输出，从而整体实现了500MHz-10000MHz的宽频ODMR信号探测。根据本技术的具体实施方式，通过把样品材料放在所述PCB电路板上，实现对样品材料的微波信号输入；通过所述电磁铁实现对样品材料的磁场加持，实现样品材料的塞曼效应能级劈裂。根据本技术的具体实施方式，所述共聚焦光路装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：包括一个微波发生器、一个微波开关、一个倍频放大装置组、一个PCB板、一个电磁铁、一个共聚焦光路装置组、一个单光子探测器、一个数据采集卡和一个计算机；/n所述微波发生器用于发出微波信号；/n所述微波开关含负载，所述微波开关用于接受微波信号，并根据计算机发出的时间序列选择是否传递微波信号；/n所述倍频放大装置组由前置放大器A1、倍频元件、后置放大器A2组成，微波信号经A1放大后进入倍频元件，倍频后再经A2二次放大；/n所述PCB板用于承载待测样品材料，并把接入的微波信号加在样品材料上；/n所述电磁铁用于给样品材料提供磁场，从而产生塞曼效应能级劈裂；/n所述共聚焦光路装置组由一个532nm激光器、一个光耦合器、两个滤波片、一个分束器、一个物镜组成，激光器产生泵浦光经滤光片、分束器和物镜聚焦在PCB板的样品材料上，样品产生的受到微波信号调制的荧光经物镜、分束器返回至另一路再经滤光片进入耦合器；/n所述单光子探测器用于探测共聚焦光路装置组传递的荧光信号；/n所述数据采集卡用于根据时间序列对单光子探测器探测到的光子进行计数；/n所述计算机含时序卡，所述计算机用于一方面产生时间序列给微波开关和数据采集卡，一方面接收数据采集卡的计数结果。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：包括一个微波发生器、一个微波开关、一个倍频放大装置组、一个PCB板、一个电磁铁、一个共聚焦光路装置组、一个单光子探测器、一个数据采集卡和一个计算机；
所述微波发生器用于发出微波信号；
所述微波开关含负载，所述微波开关用于接受微波信号，并根据计算机发出的时间序列选择是否传递微波信号；
所述倍频放大装置组由前置放大器A1、倍频元件、后置放大器A2组成，微波信号经A1放大后进入倍频元件，倍频后再经A2二次放大；
所述PCB板用于承载待测样品材料，并把接入的微波信号加在样品材料上；
所述电磁铁用于给样品材料提供磁场，从而产生塞曼效应能级劈裂；
所述共聚焦光路装置组由一个532nm激光器、一个光耦合器、两个滤波片、一个分束器、一个物镜组成，激光器产生泵浦光经滤光片、分束器和物镜聚焦在PCB板的样品材料上，样品产生的受到微波信号调制的荧光经物镜、分束器返回至另一路再经滤光片进入耦合器；
所述单光子探测器用于探测共聚焦光路装置组传递的荧光信号；
所述数据采集卡用于根据时间序列对单光子探测器探测到的光子进行计数；
所述计算机含时序卡，所述计算机用于一方面产生时间序列给微波开关和数据采集卡，一方面接收数据采集卡的计数结果。


2.根据权利要求1所述的基于倍频的宽频ODMR信号探测装置，其特征在于：微波发生器品牌型号为Mini-Circuits的SSG-6000RC，输出频率范围为25MHz-6000MHz；微波开关品牌型号为Mini-Circuits的ZASWA-2-50DRA+，工作频率为DC-5000MHz；前置放大器A1品牌型号为Mini-Circuits的ZX60-6013E+，工作频率为20MHz-6000MHz；倍频元件品牌型号为Mini-Circuits的CY2-143+，输入频率为2000MHz-7000MHz，输出频率为4000MHz-14000MHz；后置放大器A2品牌型号为Mini-Circuits的ZVA-183G+，工作频率为500MHz-18000MHz，因此通过倍频放大装置，可探测的ODMR信号范围由25MHz-5000MH...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志鹏，刘伟，唐建顺，王轶韬，李传锋，郭光灿，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：新型
国别省市：安徽;34