基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法，此装置将光悬浮微型颗粒高速旋转技术应用到金刚石中氮

【技术实现步骤摘要】
基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法


[0001]本专利技术涉及固态原子自旋、光悬浮技术和角速度测量领域，具体涉及一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法。

技术介绍

[0002]凭借量子传感技术超越经典测量极限的突出优势，基于原子自旋及量子效应的角速度测量装置正处于蓬勃发展阶段。为了能够满足微小型应用场景的需求，研究者们将目光聚焦于无需承载腔室且自旋密度较大的固态原子自旋材料。近年来，基于固态原子自旋的角速度测量方案已逐渐得到重视，其中发展最为迅速的固体自旋材料为金刚石内嵌氮
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空位（Nitrogen
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Vacancy，NV）色心，一般可通过检测NV色心在旋转过程中累积的自旋几何相来实现高精度角速度测量。由于NV色心量子传感系统离不开光学激发检测和微波操控等系统部件的联合装配，因此，传统的角速度测量技术方案只能通过将含有NV色心的固体自旋样品与系统部件固连的形式在高速转台上实现整体旋转，从而进行转动试验测量角速度。通过此种方式测得的角速度容易受到与样品相连的系统部件的干扰，并不能反映NV色心的固体自旋样品真实的角速度，测量精度低。同时，因为系统部件仅能在低速范围内转动，这种测试方式还对高速转台的转速和体积提出了更高要求，进而限制了待测角速度仅能局限在较小的测量范围内，也使得现有系统难以向小型化便携式的方向发展。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本专利技术提出一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置与方法，通过将光悬浮技术应用在固态原子自旋角速度测量方案中，进而将圆极化悬浮激光的自旋角动量转化为NV色心所在颗粒的空间旋转角动量，实现NV色心不依赖于高速转台的独立旋转运动，使得测得的角速度准确性更高，测量范围更广。同时，通过将各主要光学器部件设计为光纤型器件，进一步提高角速度测量装置的实用性和可拓展性。
[0004]本专利技术的目的通过如下的技术方案来实现：一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，该装置用于测量二氧化硅微型颗粒的光悬浮角速度，所述二氧化硅微型颗粒上生长含有均匀分布取向一致的NV色心金刚石薄膜；该装置包括入射光路、出射光路、真空腔，以及位于所述真空腔内的聚光透镜组、微波天线；所述微波天线对准所述二氧化硅微型颗粒，且所述微波天线通过微波线缆连接位于所述真空腔外的微波系统；所述入射光路上，悬浮激光器、第一光纤型λ/4可调波片、合束器、真空腔依次通过光纤连接，激发激光器也通过光纤连接合束器；所述聚光透镜组的中心位于所述入射光路上，测量时二氧化硅微型颗粒放置在所述聚光透镜组的中心，所述聚光透镜组用于将所述合束器输出的合束激光聚焦到所述二氧化硅微型颗粒上以实现所述二氧化硅微型颗粒的
悬浮和激发；所述出射光路上，真空腔、第一分束器、第二分束器、第二光纤型λ/4可调波片和偏振分束器依次通过光纤连接；荧光探测器、质心探测器、差分探测器分别通过光纤与第一分束器、第二分束器、偏振分束器一一对应连接，荧光探测器、质心探测器、差分探测器与数据处理与分析系统连接；荧光探测器上还设置有滤波片；所述数据处理与分析系统采集质心探测器和差分探测器探测结果确定颗粒悬浮状态，再通过荧光探测器得到二氧化硅微型颗粒的NV色心荧光信息从而解算出相应旋转角速度信息。
[0005]进一步地，为了实现激光与二氧化硅微型颗粒的悬浮效果，所述微型颗粒的尺寸在100
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1000 nm范围内。
[0006]进一步地，考虑到金刚石色心受激发后发出的红色荧光波段在600
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800 nm，所述滤波片为带通滤波片，波长透射范围为600
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800 nm。
[0007]进一步地，所述悬浮激光器的工作波长为1565 nm，所述激发激光器的工作波长为532 nm。
[0008]进一步地，所述入射光路和出射光路共轴，所述聚光透镜组的中心位于所述入射光路和出射光路的轴线上。
[0009]进一步地，所述聚光透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜和第二透镜相对而设，焦点重合，所述二氧化硅微型颗粒位于所述第一透镜和第二透镜的焦点处；其中，所述第一透镜的中心轴与所述第二透镜的中心轴与所述入射光路、出射光路共轴，且所述第一透镜靠近所述合束器设置，所述第二透镜靠近所述第一分束器设置；所述第一透镜用于将所述合束器经所述入射光路的光纤输出端输出的合束激光聚焦到所述二氧化硅微型颗粒上以实现所述二氧化硅微型颗粒的悬浮和激发；所述第二透镜用于收集所述二氧化硅微型颗粒透射的合束激光以及激发所述二氧化硅微型颗粒所产生的荧光并传输给所述出射光路。
[0010]进一步地，所述真空腔的外壁两侧分别设有第一窗片和第二窗片，所述合束器输出的合束激光经过所述第一窗片传输至所述第一透镜；所述第二透镜收集的合束激光及荧光通过所述第二窗片进入所述出射光路的光纤输入端，以在所述出射光路上的真空腔、第一分束器、第二分束器、第二光纤型λ/4可调波片和偏振分束器依次传输。
[0011]为了确保光束能够稳定传输，所述入射光路的光纤输出端固定在所述第一窗片上；所述出射光路的光纤输入端固定在所述第二窗片上。
[0012]进一步地，该方法基于上述任意一装置来实现，该测量方法具体为：调整第一光纤型λ/4可调波片，使二氧化硅微型颗粒实现高速旋转，根据质心探测器和差分探测器探测结果解算出初步旋转信息；实时调整悬浮激光器和激发激光器的功率以及第一光纤型λ/4可调波片的参数，待质心探测器和差分探测器两者信号稳定后，改变微波系统的操控脉冲形式，通过荧光探测器得到二氧化硅微型颗粒的NV色心累积的几何相Φ，根据Φ=ωt，计算得到二氧化硅微型颗粒的旋转角速度ω；其中，t为作用时间。
[0013]本专利技术的有益效果如下：（1）本专利技术将光悬浮系统和固态原子自旋几何相角速度测量系统进行有机结合，通过圆偏振悬浮光旋转二氧化硅微型颗粒，使得二氧化硅微型颗粒能够独立于系统部件的
旋转运动，不受其他系统部件的干扰和限制。且本专利技术在测量角速度时，通过固态原子自旋在几何相的累积进行角速度测量，测量精度高。由于该方案实现了不依赖于高速转台和系统部件的旋转，能够测量的角速度的范围也更广。
[0014]（2）本专利技术的入射光路和出射光路的各个部件均通过光纤连接，相对于传统的空间光直接在固定位置处的光学器件中传播来测量角速度，整个测量装置可以根据测量需要进行移动，有利于实现测量装置的便携化和小型化。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置的示意图。
[0016]图2为NV色心固态原子自旋在空间中旋转时累积几何相的原理示意图。
[0017]图3为荧光变化随时间改变的曲线图，其中离散的点为实验数据点，实线为拟合的曲线。
[0018]图4为相位随时间变化的曲线图，其中离散的点为数据解算点，实线为拟合的曲线。
[0019]图1中，悬浮激光器1、光纤2、第一光纤型可调波片3、合束器4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，该装置用于测量二氧化硅微型颗粒（8）的光悬浮角速度，所述二氧化硅微型颗粒（8）上生长含有均匀分布取向一致的NV色心金刚石薄膜；该装置包括入射光路、出射光路、真空腔（6），以及位于所述真空腔（6）内的聚光透镜组（7）、微波天线（9）；所述微波天线（9）对准所述二氧化硅微型颗粒（8），且所述微波天线（9）通过微波线缆（10）连接位于所述真空腔（6）外的微波系统（11）；所述入射光路上，悬浮激光器（1）、第一光纤型λ/4可调波片（3）、合束器（4）、真空腔（6）依次通过光纤连接，激发激光器（5）也通过光纤连接合束器（4）；所述聚光透镜组（7）的中心位于所述入射光路上，测量时二氧化硅微型颗粒（8）放置在所述聚光透镜组（7）的中心，所述聚光透镜组（7）用于将所述合束器（4）输出的合束激光聚焦到所述二氧化硅微型颗粒（8）上以实现所述二氧化硅微型颗粒（8）的悬浮和激发；所述出射光路上，真空腔（6）、第一分束器（12）、第二分束器（13）、第二光纤型λ/4可调波片（14）和偏振分束器（15）依次通过光纤连接；荧光探测器（17）、质心探测器（18）、差分探测器（19）分别通过光纤与第一分束器（12）、第二分束器（13）、偏振分束器（15）一一对应连接，荧光探测器（17）、质心探测器（18）、差分探测器（19）与数据处理与分析系统（20）连接；荧光探测器（17）上还设置有滤波片（16）；所述数据处理与分析系统（20）采集质心探测器（18）和差分探测器（19）探测结果确定颗粒悬浮状态，再通过荧光探测器（17）得到二氧化硅微型颗粒的NV色心荧光信息从而解算出相应旋转角速度信息。2.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述二氧化硅微型颗粒（8）的尺寸在100
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1000 nm范围内。3.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述滤波片（16）为带通滤波片，波长透射范围为600
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800 nm。4.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述悬浮激光器（1）的工作波长为1565 nm，所述激发激光器（5）的工作波长为532 nm。5.根据权利要求1所述的基于固态原子自旋几何相的光悬浮角速度测量装置，其特征在于，所述入射光路和出射光路共轴，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宁，郭强，王子轩，张梦诗，于婷婷，李梓文，胡慧珠，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：