基于微波激光的固态量子传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种基于微波激光的固态量子传感器。方法的核心是利用微波激光技术进行测量，并通过反馈回路提供自激微波。具体实现方法包括：利用激光对增益介质进行激发，初始化到理想的量子态；通过反馈回路提供自激微波进入谐振腔，与增益介质发生相互作用引起信号变化；调节激光能量，使输出微波信号达到微波激光阈值；改变谐振腔的频率，利用测量电路采集不同频率下谐振腔输出的微波信号；将信号进行分析得到增益介质能级变化引起的共振频率偏移，从而对所施加的磁场、电场、温度和压力等物理参数进行精密测量。本发明专利技术解决了现有技术中的非均匀展宽和读出方案限制灵敏度提高的问题，实现了单次读出，有望实现小型化的固态量子传感器。量子传感器。量子传感器。

【技术实现步骤摘要】
基于微波激光的固态量子传感器


[0001]本专利技术涉及精密测量
，尤其涉及一种基于微波激光的固态量子传感器。

技术介绍

[0002]量子精密测量作为一种新兴技术，发展迅速，在化学材料、生物医疗、能源工程和食品安全等多个领域具有广阔的应用前景。量子精密测量的基本原理是利用磁、光与原子的相互作用，实现对各种物理量的超高精度测量。目前已经实现原子(囚禁离子)、超导电路和固态自旋等量子体系在不同尺度、不同温度下对物理量的高灵敏度和精确度测量。其中，固态自旋体系由于其能够工作于室温大气环境与高灵敏度等优点，已经成为越来越受欢迎的超灵敏量子传感平台，在鲁棒性、生物相容性和空间分辨率方面优于其他系统。固态自旋传感器利用其存在的自旋中心缺陷，感知物理量，从而实现对磁场、电场、温度和压力等多个物理参数的高灵敏度测量。
[0003]传统的固态自旋传感器利用光源对固态自旋传感器内的一个或多个自旋中心缺陷进行光激发辐射，使其产生荧光，再通过光传感器收集荧光信息。同时，也可以使用微波辐射操控自旋中心缺陷的量子能级之间的布局。通过光激发和微波辐射可以将待测物理量的信息编码到自旋中心缺陷发出的荧光中，分析光学读出的荧光信息便可以得到待测物理量。金刚石氮
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空位色心(NV色心)是固态自旋传感器的代表性体系，具有易于初始化和读出、可操控、电子自旋相干时间长等优点，因此基于该体系的量子传感得到了快速发展。
[0004]目前，固态自旋传感器发展迅猛，在测量多种物理参数方面都取得了重大进展。同时，该技术也面临巨大的挑战。系综自旋体系因其在提高灵敏度方面的优势广泛应用于固态自旋传感器。但是，固态自旋系综传感器在实现灵敏度接近量子投影噪声极限的道路上还存在两个障碍。首先，固态系综中自旋数量的增加不可避免地引入了单个自旋局部环境的复杂性和变化，表现为系综的非均匀线宽的展宽。非均匀展宽是限制斜率探测灵敏度的一个重要因素。斜率探测技术多用于测量缓慢变化的物理量，如直流磁场和生物温度变化。因此，采用斜率探测技术的固态自旋系综传感器的性能在上述应用场景下会有一定程度的下降。虽然，拉姆齐序列和脉冲光学探测磁共振等脉冲技术已经被应用于抑制非均匀展宽，但是，固态自旋系综传感器还缺乏有效的读出方案，进一步限制了其灵敏度。基于自旋依赖光致发光检测的光学读出技术是目前最常用的读出技术，但由于存在光子噪声，因此读出的保真度较低。尽管对于自旋系综来说，收集光子的平均数量增加，提高了信噪比。但由于背景杂化和退相干效应的影响，光学读出保真度并没有得到改善。这使得固态自旋系综传感器的灵敏度受到光子散粒噪声的限制，比量子投影噪声极限差两个数量级。
[0005]因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0006]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提出一种基于微波激光的固态量子传感器。
[0007]本专利技术提出的一种基于微波激光的固态量子传感器利用激光对增益介质进行激发，通过反馈回路提供自激微波进入谐振腔，调节激光能量达到微波激光阈值，再通过测量电路读出谐振腔输出的微波信号，将信号进行分析得到增益介质能级变化引起的共振频率偏移，从而对所施加的磁场、电场、温度和压力等物理参数进行精密测量。
[0008]进一步地，本专利技术的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，包括：
[0009]初始化：施加激光对增益介质进行光激发，使其形成理想的量子态；
[0010]自激微波信号输入：使用反馈回路产生的自激微波沿线路进入谐振腔内，微波与增益介质的相互作用引起谐振腔内微波信号的变化；
[0011]激光调节：调节激光能量，使谐振腔输出的微波信号达到微波激光阈值；
[0012]读出：改变谐振腔的频率，利用测量电路采集不同频率下谐振腔输出的微波信号；
[0013]测量：分析采集的信号，得到增益介质能级变化引起的共振频率偏移，执行待测物理参数的精密测量。
[0014]进一步地，本专利技术的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，通过反馈回路产生的自激微波频率与谐振腔的频率相同，调节谐振腔的频率时，自激微波频率同时发生变化。
[0015]进一步地，本专利技术的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，以谐振腔的频率调到增益介质的共振频率附近时所输出的微波信号达到微波激光阈值为准，来调节激光能量。
[0016]进一步地，本专利技术的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，自激微波信号通过耦合天线处于欠耦合的一端进入谐振腔，采集的微波信号通过谐振腔过耦合天线的一端输出。
[0017]本专利技术的另一方面提出一种基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，包括：
[0018]泵浦光源：用于提供合适的激光，激发增益介质；
[0019]光电探测器：用于触发示波器；
[0020]谐振腔模块：用于增强微波与增益介质之间的相互作用；
[0021]反馈回路模块：用于产生自激微波，并传输到谐振腔中，操控增益介质的电子自旋态；
[0022]测量电路模块：用于读出谐振腔输出的微波信号；
[0023]微波分析仪：用于监测自激微波信号的功率和频率；
[0024]示波器：用于信号的采集。
[0025]进一步地，本专利技术的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，谐振腔模块包括增益介质、介电谐振器、铜封闭外壳和耦合天线。增益介质提供系综自旋体系，可以是并五苯掺杂的对三联苯有机晶体，或含有氮空位缺陷的金刚石晶体等合适的固态自旋体系。介电谐振器提供高的品质因子Q，形成谐振结构，可以由钛酸锶、蓝宝石、烧结微波陶瓷材料或其他合适材料制成。铜封闭外壳上端有一个“活塞式”调谐旋钮，用于调节谐振腔的频率。
[0026]进一步地，本专利技术的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，反馈回路模块包括放大微波信号的放大器、滤除微波信号中杂散信号的带通滤波器、形成信号单向传输回路的隔离器、调节反馈回路路径长度的移相器、调节自激微波信号功率的衰减器，将信号
部分耦合到微波分析仪的定向耦合器，分出部分信号到测量电路的功分器。
[0027]进一步地，本专利技术的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，测量电路模块包括测量输出微波信号功率的对数放大器，以及防止信号饱和或损坏探测器的衰减器。
[0028]进一步地，本专利技术的基于微波激光的固态量子传感器的实验装置，包括放置在谐振腔附近的提供待测物理量的器件，比如磁铁。
[0029]本专利技术提出的基于微波激光的固态量子传感器，具有如下有益效果：
[0030](1)由于微波激光的作用，系综自旋体系的非均匀线宽明显变窄，可以延长其退相干时间；同时，信号幅度得到很大的提高，进一步提升了信噪比，因此能够实现更高灵敏度的测量。
[0031](2)相较于传统光学读出的方式，基于微波激光的固态量子传感器所采用的读出技术可以有效改善读出效率低下的问题，读出保真度接近于100％，并且可以实现单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于微波激光的固态量子传感器，其特征在于，利用激光对增益介质进行激发，通过反馈回路提供自激微波进入谐振腔，调节激光能量达到微波激光阈值，再通过测量电路读出谐振腔输出的微波信号，将信号进行分析得到增益介质能级变化引起的共振频率偏移，从而对所施加的磁场、电场、温度和压力等物理参数进行精密测量。2.根据权利要求1所述的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，其特征在于，包括：初始化：施加激光对增益介质进行光激发，使其形成理想的量子态；自激微波信号输入：使用反馈回路产生的自激微波沿线路进入谐振腔内，微波与增益介质的相互作用引起谐振腔内微波信号的变化；激光调节：调节激光能量，使谐振腔输出的微波信号达到微波激光阈值；读出：改变谐振腔的频率，利用测量电路采集不同频率下谐振腔输出的微波信号；测量：分析采集的信号，得到增益介质能级变化引起的共振频率偏移，执行待测物理参数的精密测量。3.根据权利要求2所述的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，其特征在于，通过反馈回路产生的自激微波频率与谐振腔的频率相同，调节谐振腔的频率时，自激微波频率同时发生变化。4.根据权利要求2所述的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，其特征在于，所述激光调节以谐振腔的频率调到增益介质的共振频率附近时所输出的微波信号达到微波激光阈值为准，来调节激光能量。5.根据权利要求2所述的基于微波激光的固态量子传感器执行物理参数测量的实现方法，其特征在于，所述自激微波信号通过耦合天线处于欠耦合的一端进入谐振腔，采集的微波信号通过谐振腔过耦合天线的一端输出。6.一种基于微波激光的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴昊，杨硕，赵清，张博，马克，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：