一种基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法技术

一种基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法，基于荧光偏振效应调节xyz三轴中各轴偏振片以获得xyz每轴方向上相同变化趋势的2种轴向NV色心荧光对比度最大，以此为条件通过共振峰频率处的共振峰随磁场变化确定能级劈裂矩阵K1，同时通过在工作频率处扫描微波频率确定刻度系数矩阵K2，利用公式解算得到金刚石NV色心磁矢量其中+为伪逆矩阵运算，为所述金刚石NV色心荧光信号变化，能够提高荧光式磁场测量的信噪比和测量灵敏度，操作简单，易于实现实时矢量测量，从而有效提高了矢量磁场测量的解算效率。量磁场测量的解算效率。量磁场测量的解算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法


[0001]本专利技术涉及磁场测量
，特别是一种基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法，基于荧光偏振效应调节xyz三轴中各轴偏振片以获得xyz每轴方向上相同变化趋势的2种轴向NV色心荧光对比度最大，以此为条件通过共振峰频率处的共振峰随磁场变化确定能级劈裂矩阵K1，同时通过在工作频率处扫描微波频率确定刻度系数矩阵K2，利用公式解算得到金刚石NV色心磁矢量其中+为伪逆矩阵运算，为所述金刚石NV色心荧光信号变化，能够提高荧光式磁场测量的信噪比和测量灵敏度，操作简单，易于实现实时矢量测量，从而有效提高了矢量磁场测量的解算效率。

技术介绍

[0002]金刚石NV(Nitrogen
‑
Vacancy，氮
‑
空位)色心磁强计随着量子传感技术的发展成为新的热点，NV色心磁强计在常温下工作，易于操控检测等方面有着巨大优势，使得NV色心磁强计在小型化和集成化方面有巨大应用前景。目前，国内外已有大量基于激光调制技术、微波调制技术、锁相放大技术、微波圆极化技术等的NV色心磁强计相关研究。NV色心磁强计研究重点在于提取信号灵敏度以及小型集成化。本专利技术人认识到，基于荧光偏振效应对xyz轴进行偏振调节的过程中，x轴、y轴、z轴所检测的信号均包含4种固定轴向NV色心荧光信号，其中，必定有2种轴向随激光偏振态变化趋势相同，另两种变化趋势相反。因此，分别调节x轴、y轴、z轴偏振片，能够使得各自方向所选2种轴向色心荧光对比度最大。以所述2种轴向NV色心荧光对比度最大为条件，在通过共振峰频率处的共振峰随磁场变化确定能级劈裂矩阵K1时和通过工作频率处扫描微波频率确定刻度系数矩阵K2时，能够提高荧光式磁场测量的信噪比和测量灵敏度，操作简单，易于实现实时矢量测量，从而有效提高了矢量磁场测量的解算效率。有鉴于此，本专利技术人完成了本专利技术。

技术实现思路

[0003]本专利技术根据技术的发展，提供一种基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法，基于荧光偏振效应调节xyz三轴中各轴偏振片以获得xyz每轴方向上相同变化趋势的2种轴向NV色心荧光对比度最大，以此为条件通过共振峰频率处的共振峰随磁场变化确定能级劈裂矩阵K1，同时通过在工作频率处扫描微波频率确定刻度系数矩阵K2，利用公式解算得到金刚石NV色心磁矢量其中+为伪逆矩阵运算，为所述金刚石NV色心荧光信号变化，能够提高荧光式磁场测量的信噪比和测量灵敏度，操作简单，易于实现实时矢量测量，从而有效提高了矢量磁场测量的解算效率。
[0004]本专利技术的技术解决方案如下：
[0005]一种基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法，其特征在于，包括基于荧光偏振效应调节xyz三轴中各轴偏振片以获得xyz每轴方向上相同变化趋势的2种轴向NV
色心荧光对比度最大，以此为条件通过共振峰频率处的共振峰随磁场变化确定能级劈裂矩阵K1，同时通过在工作频率处扫描微波频率确定刻度系数矩阵K2，利用公式解算得到金刚石NV色心磁矢量其中+为伪逆矩阵运算，为所述金刚石NV色心荧光信号变化。
[0006]其中Bx为x轴磁场分量，By为y轴磁场分量，Bz为z轴磁场分量，T为运算符；其中
△
flx为x轴方向荧光信号变化量，
△
fly为y轴方向荧光信号变化量，
△
flz为z轴方向荧光信号变化量；所述共振峰频率通过光探测磁共振ODMR谱线结果确定，所述工作频率通过对所述ODMR谱线结果求一阶偏导确定，所述共振峰频率按照序号分别记为f
p,1
、f
p,2
、f
p,3
、f
p,4
，所述工作频率按照序号分别记为f
w,1
、f
w,2
、f
w,3
、f
w,4
。
[0007]所述K1采用下式计算：
[0008][0009]指代j轴方向共振峰频率f
p，i
随磁场的变化率，其中i＝1,2,3,4；j＝x，y，z。
[0010]所述K2采用下式计算：
[0011][0012]指代i轴荧光信号强度Δfl
i
随工作频率处微波频率的变化率，其中i＝x，y，z；j＝1,2,3,4。
[0013]包括以下步骤：步骤101，偏置磁场组件根据第一操作指令产生偏置磁场；步骤102，极化激光组件、微波发生组件根据第二操作指令依次产生极化激光与微波脉冲序列；步骤103，对金刚石NV色心进行光探测磁共振ODMR测试，所得结果能有效区分4种固定轴向NV色心；步骤104，根据步骤103所得光探测磁共振ODMR谱线结果，确定共振峰频率f
p,1
、f
p,2
、f
p,3
、f
p,4
，对光探测磁共振ODMR谱线结果求一阶导数，确定工作频率f
w,1
、f
w,2
、f
w,3
、f
w,4
；步骤105，依次调节x轴、y轴、z轴3个方向的偏振片，使得x轴、y轴、z轴3个方向上相同变化趋势的2种轴向的NV色心荧光对比度最大；步骤106，在共振峰频率f
p,1
、f
p,2
、f
p,3
、f
p,4
处测量共振峰
随磁场变化确定能级劈裂矩阵K1，在工作频率f
w,1
、f
w,2
、f
w,3
、f
w,4
处扫描微波频率确定刻度系数矩阵K2；步骤108，进行磁场解算，输出磁场的方向和大小。
[0014]步骤101所述的偏置磁场组件能产生大小、方向可调，且能保持输出稳定的定向偏置磁场；作为一种选择，偏置磁场组件可以采用多组恒流电流源控制亥姆赫兹线圈；作为一种选择，偏置磁场组件亦可以采用永磁铁固定于多维位移台。
[0015]步骤102所述极化激光组件的主要组成部分为激光源、光束调制器件与相应光学元器件，其中，各组成部分通过空间光路相连接，该光路系统主要作用为完成金刚石色心电子量子态极化；所述的微波发生组件包括：微波源、开关、放大器、传输天线以及负载，该组件用于产生控制金刚石色心电子在基态量子态间翻转的微波脉冲序列。
[0016]步骤103所述的金刚石NV色心进行光探测磁共振ODMR测试，固定微波功率扫描微波频率，若其测试结果不能完全区分4种固定轴向NV色心，需重新调节步骤101中偏置磁场大小和方向。
[0017]步骤104所述的光探测磁共振ODMR测试所得谱线结果，采用公式进行洛伦兹型曲线拟合，其中，S指代荧光信号强度，Δv
i
指代第i个共振峰的半高全宽，ω指代扫描微波频率，f
p，i
指代共振峰最低点频率(i＝1，2，3，4)；对光探测磁共振(ODMR)谱线结果求一阶导数，取导数为零的极值点所在频本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法，其特征在于，包括基于荧光偏振效应调节xyz三轴中各轴偏振片以获得xyz每轴方向上相同变化趋势的2种轴向NV色心荧光对比度最大，以此为条件通过共振峰频率处的共振峰随磁场变化确定能级劈裂矩阵K1，同时通过在工作频率处扫描微波频率确定刻度系数矩阵K2，利用公式解算得到金刚石NV色心磁矢量其中+为伪逆矩阵运算，为所述金刚石NV色心荧光信号变化。2.根据权利要求1所述的基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法，其特征在于，其中Bx为x轴磁场分量，By为y轴磁场分量，Bz为z轴磁场分量，T为运算符；其中
△
flx为x轴方向荧光信号变化量，
△
fly为y轴方向荧光信号变化量，
△
flz为z轴方向荧光信号变化量；所述共振峰频率通过光探测磁共振ODMR谱线结果确定，所述工作频率通过对所述ODMR谱线结果求一阶偏导确定，所述共振峰频率按照序号分别记为f
p,1
、f
p,2
、f
p,3
、f
p,4
，所述工作频率按照序号分别记为f
w,1
、f
w,2
、f
w,3
、f
w,4
。3.根据权利要求1所述的基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法，其特征在于，所述K1采用下式计算：在于，所述K1采用下式计算：指代j轴方向共振峰频率f
p，i
随磁场的变化率，其中i＝1,2,3,4；j＝x，y，z。4.根据权利要求1所述的基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法，其特征在于，所述K2采用下式计算：在于，所述K2采用下式计算：指代i轴荧光信号强度Δfl
i
随工作频率处微波频率的变化率，其中i＝x，y，z；j＝1,2,3,4。5.根据权利要求1所述的基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤101，偏置磁场组件根据第一操作指令产生偏置磁场；步骤102，极
化激光组件、微波发生组件根据第二操作指令依次产生极化激光与微波脉冲序列；步骤103，对金刚石NV色心进行光探测磁共振ODMR测试，所得结果能有效区分4种固定轴向NV色心；步骤104，根据步骤103所得光探测磁共振ODMR谱线结果，确定共振峰频率f
p,1
、f
p,2
、f
p,3
、f
p,4
，对光探测磁共振ODMR谱线结果求一阶导数，确定工作频率f
w,1
、f
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、f
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、f
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；步骤105，依次调节x轴、y轴、z轴3个方向的偏振片，使得x轴、y轴、z轴3个方向上相同变化趋势的2种轴向的NV色心荧光对比度最大；步骤106，在共振峰频率f
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、f
p,2
、f
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、f
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处测量共振峰随磁场变化确定能级劈裂矩阵K1，在工作频率f
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、f
w,2
、f
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、f
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处扫描微波频率确定刻度系数矩阵K2；步骤108，进行磁场解算，输出磁场的方向和大小。6.根据权利要求5所述的基于荧光偏振效应的金刚石NV色心磁矢量测量方法，其特征在于，步骤101所述的偏置磁场组件能产生大小、方向可调，且能保持输出稳定的定向偏置磁场；作为一种选择，偏置磁场组件可以采用多组恒流电流源控制亥姆...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁珩，范鹏程，徐丽霞，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：