一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器制造技术

本发明专利技术属于光纤传感器技术领域，公开了一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，包括激光器光源、光路机构、偏置永磁铁、磁场光纤传感机构、微波波导机构、第一接收转换机构、第二接收转换机构以及第三接收转换机构。采用上述一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，激光器光源发射的激光通过光路机构照射在磁场光纤传感机构中灌注的金刚石NV色心溶液，产生的荧光以耦合的方式被第一接收转换机构和第二接收转换机构接收，同时产生的荧光通过光路机构反射被第三接收转换机构接收。本发明专利技术利用光纤与金刚石NV色心进行耦合可以提高磁场测量的灵敏度，并且采用三路收光的方案可以提高荧光的收集效率。提高荧光的收集效率。提高荧光的收集效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器


[0001]本专利技术涉及光纤传感器
，尤其是涉及一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器。

技术介绍

[0002]通常情况下原子规则排列的晶体是不会向外发出光的，但是实际情况下晶体中的原子会发生振动出现破坏了晶体中原子排列的周期性的缺陷，这将会使得晶体的光学性质发生改变，让其可以选择性吸收某些波长的可见光并发出可以被探测到的荧光，在晶体中这种能够吸收可见光并发出荧光的缺陷部位可以称之为色心(Color Center)。NV色心则是氮(Nitrogen)空位(Vacancy)发光中心的简称，它由金刚石晶格内的一个C原子被一个N原子替代形成一个N替位，再连接一个缺少C原子的C空位组成的。
[0003]NV色心的电子在基态3A和激发态3E都有|m
s
＝0>和|m
s
＝
±
1>这三种自旋态，自旋态为|m
s
＝0>的电子可以被波长为532nm的泵浦激光从基态3A激发到激发态3E，然后退激发回到基态3A并发出荧光，自旋态为|m
s
＝
±
1>的电子可以被波长为532nm的泵浦激光从基态3A激发到激发态3E，在退激发时一部分电子会直接回到基态3A并发出荧光，还有一部分电子会通过ISC(intersystemcrossing)机制经由单态1A、和1E回到基态3A，而这一个过程不发出荧光，这就是NV色心将泵浦激光转化为荧光的途径。由于NV色心中自旋态为|m
s
＝0>的电子被激光激发并退激发时发出荧光光子的概率比自旋态为|ms＝
±
1>的电子大，因此|m
s
＝0>态被称为亮态，|m
s
＝
±
1>态被称为暗态。
[0004]在没有外部磁场存在的情况下，NV色心基态中|ms＝
±
1>态的能级是简并的并且|m
s
＝0>态和|m
s
＝
±
1>态的能隙为2.87GHz，在测量NV色心的光探测磁共振(Optically detected magnetic resonance，ODMR)谱时需要对NV色心进行持续的激光泵浦和微波扫频并测量NV色心发出荧光的强度，当微波的频率为2.87GHz与|m
s
＝0>态和|m
s
＝
±
1>的能隙相等时，自旋态为|m
s
＝0>的电子会被微波将自旋态调控为|m
s
＝
±
1>，由于此时NV色心中亮态电子减少暗态增多，因此NV色心在泵浦激光的激发下发出荧光的强度会降低，在光探测磁共振谱上就会在微波频率为2.87GHz的位置处出现一个凹陷。在有外部磁场存在的情况下，NV色心基态中|m
s
＝
±
1>态的能级会由于塞曼效应而发生能级劈裂，|m
s
＝0>态和|m
s
＝+1>态的能隙会大于2.87GHz，|m
s
＝0>态和|m
s
＝
‑
1>态的能隙则会小于2.87GHz，于是NV色心在泵浦激光的激发下光探测磁共振谱上的凹陷会由一个变为两个，分别位于微波频率小于2.87GHz和大于2.87GHz的两个位置，根据两个凹陷间微波频率的差值解哈密顿量方程，即可得到磁场的大小。
[0005]现有的光纤磁场传感器灵敏度低，体积大，不便于磁场测量。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是解决上述现有技术存在的问题。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，
包括激光器光源、光路机构、偏置永磁铁、磁场光纤传感机构、微波波导机构、第一接收转换机构、第二接收转换机构以及第三接收转换机构；
[0008]所述激光器光源与所述光路机构相对设置，所述光路机构的一端与所述第三接收转换机构相对设置，所述光路机构的另一端与所述磁场光纤传感机构相对设置，所述磁场光纤传感机构的上下两侧设置有偏置永磁铁；
[0009]所述磁场光纤传感机构两侧通过磁场传感光纤分别与所述第一接收转换机构和所述第二接收转换机构相连接，所述磁场传感器光纤与所述微波波导机构相连接；
[0010]激光器光源发出的激光经过光路机构照射在磁场光纤传感机构上，激发磁场光纤传感机构内的带有NV色心的金刚石溶液产生荧光，一部分荧光以耦合的方式分别被第一接收转换机构和第二接收转换机构接收，另一部分荧光通过光路机构反射被所述第三接收转换机构接收。
[0011]优选的，所述第一接收转换机构包括依次连接的第一光纤滤波器、第一尾纤以及第一单光子计数模块。
[0012]优选的，所述第二接收转换机构包括依次连接的第二光纤滤波器、第二尾纤以及第二单光子计数模块。
[0013]优选的，所述第三接收转换机构包括依次设置的滤光片、第三透镜以及第三单光子计数模块。
[0014]优选的，所述光路机构包括依次设置的物镜、第一反射镜、第一透镜、第二透镜、第二反射镜以及二向色镜，所述二向色镜与所述激光器光源相对设置。
[0015]优选的，所述磁场光纤传感机构包括空心光纤和设置在空心光纤两端的单模光纤，两个所述单模光纤分别与第一光纤滤波器和第二光纤滤波器相连接，所述空心光纤与所述物镜相对设置。
[0016]优选的，所述微波波导机构包括微波波导和微波源，所述微波源与所述微波波导相连接，所述微波波导绕设在空心光纤上。所述微波波导为铜线。
[0017]因此，本专利技术具有以下有益效果：
[0018](1)实现了能以耦合进光纤的方式来接收带有NV色心的金刚石溶液被激发所产生的荧光，提高了收集荧光的效率，提高传感器测量磁场的灵敏度，同时设置第三接收转换机构进一步提交荧光接收效率。
[0019](2)光路机构的设计，第一透镜和第二透镜来组成透镜组对激光器光源发出的激光进行扩束，可以提高激光通过物镜时的填充率，缩小照射在空心光纤上的光斑，提高激光转化为荧光的效率。
[0020](3)采用用光纤来传输泵浦激光和带有NV色心的金刚石溶液被激发所产生的荧光，选用铜线作为微波波导来将微波源发出的微波传输到磁场传感光纤附近，光纤和铜线的应用，缩小的整体的体积。
[0021]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0022]图1为一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器的结构图；
[0023]图2为本专利技术带有NV色心本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，其特征在于：包括激光器光源、光路机构、偏置永磁铁、磁场光纤传感机构、微波波导机构、第一接收转换机构、第二接收转换机构以及第三接收转换机构；所述激光器光源与所述光路机构相对设置，所述光路机构的一端与所述第三接收转换机构相对设置，所述光路机构的另一端与所述磁场光纤传感机构相对设置，所述磁场光纤传感机构的上下两侧设置有偏置永磁铁；所述磁场光纤传感机构两侧通过磁场传感光纤分别与所述第一接收转换机构和所述第二接收转换机构相连接，所述磁场传感器光纤与所述微波波导机构相连接；激光器光源发出的激光经过光路机构照射在磁场光纤传感机构上，激发磁场光纤传感机构内的带有NV色心的金刚石溶液产生荧光，一部分荧光以耦合的方式分别被第一接收转换机构和第二接收转换机构接收，另一部分荧光通过光路机构反射被所述第三接收转换机构接收。2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，其特征在于：所述第一接收转换机构包括依次连接的第一光纤滤波器、第一尾纤以及第一单光子计数模块。3.根据权利要求2所述的一种基于金刚石NV色心的高效光纤磁场传感器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦一凡，张旻阳，张羽，金威，牟金华，刘佳鑫，刘志海，苑立波，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：