基于金刚石NV色心的量子传感频率跟踪控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于金刚石NV色心的量子传感频率跟踪控制方法及系统，属于量子传感技术领域。本发明专利技术通过在金刚石NV色心传感头处引入辅助磁场测量装置，先根据磁场与NV色心磁共振频率的关系，利用磁场测量装置的测磁结果推算出频率偏差，完成微波源输出信号中心频率的粗调。随后根据解调幅值与频率偏差的转换系数计算解调输出对应的频率偏差，完成微波源输出信号中心频率的细调。通过粗调加细调实现微波源输出信号中心频率对NV色心磁共振频率的宽范围、精准跟踪，提高系统测量动态范围和精度。此外，本发明专利技术还设置了保护阈值，当磁场变化较小，频率偏差值处在线性约束范围内时，跳过粗调过程，直接进行频率细调，加快调节速度，提高系统测量带宽。高系统测量带宽。高系统测量带宽。

【技术实现步骤摘要】
基于金刚石NV色心的量子传感频率跟踪控制方法及系统


[0001]本专利技术属于量子传感
，更具体地，涉及一种基于金刚石NV色心的量子传感频率跟踪控制方法及系统。

技术介绍

[0002]量子传感技术是指利用量子系统、量子特性或量子现象来对某一物理量进行测量。现阶段，在量子传感领域，NV色心具有的高灵敏度的量子效应优势以及宽松的工作条件使得它在产业应用方面具有广阔的前景。随着量子科技在各个领域的飞速发展，量子传感也广泛应用于电力能源传输、医疗设备、生物检测、电磁成像等多个领域。
[0003]单个NV色心是一个简单的二能级体系，分为基态3A2与激发态3E，均为自旋三重态（包含ms=0、ms=＋1、ms=
‑
1三种自旋态）。由于自旋态ms=
±
1态被激发到激发态后存在非辐射跃迁过程，导致NV色心发出的荧光状态有明暗的区别。施加连续激光，会使得电子自旋态都趋向于ms=0态，此时荧光强度最强。施加微波后，当微波频率满足ms=0态和ms=
±
1态之间的能级频率差，即达到共振频率时，会让处于ms=0和ms=
±
1自旋态的电子布居度发生改变，进而使收集的荧光谱线强度发生变化，形成吸收峰。进一步地，由于磁场导致的塞曼分裂会导致自旋态ms=
±
1态的能级发生退兼并，ms=
±
1态共振频率会随着外磁场的出现而发生分裂，不考虑微弱的电场和核自旋影响，分裂后的共振频率（分别为ms=0到ms=+1和ms=0到ms=
‑
1）满足下式：其中，为磁旋比，，为外加待测磁场与NV轴向的夹角，为外加待测磁场的强度。通常利用微波源扫频后可以根据荧光谱线计算共振频率间的差值推算磁场大小，但该方法每次都需要一次完整的微波频率扫描过程，这个时间通常在秒级以上。因此在待测场快速变化时，此方法难以适用。若固定微波频率，并保证磁场变化时某一吸收峰对应的微波中心频率始终在共振频率附近的一段频率
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荧光强度的线性范围内，此时外磁场变化会导致磁共振频率变化，偏离微波源中心频率，荧光强度随之发生变化。利用该范围内荧光强度变化和频率偏移的近似线性关系，结合频率偏移和外磁场强度的关系，即可通过NV色心的荧光强度来表征外磁场强度。这种方法将磁场与荧光强度对应，对信号的响应速度较快，但会受到大量噪声干扰而产生荧光强度波动，造成测量精度较差。此外，由于荧光强度变化的线性区间范围有限，难以实现大量程范围的测量。
[0004]为了减轻噪声的干扰，可以利用频率调制方法将荧光信号调制到高频后做锁相解调，利用该方式得到的解调输出为原始荧光信号的一阶微分谱线，这种调制解调方案减弱了低频噪声干扰，并且微分谱线先比于原始信号有了更宽的线性区。但是该线性区仍受限于吸收峰有限的本征半高宽。为了进一步扩大信号的测量范围，可以采用频率跟踪的方式使微波源中心频率实时跟踪磁共振频率的变化，进而使得线性区会随信号变化而移动。通过把锁相放大器解调输出信号当成频率跟踪控制模块的反馈输入信号，频率跟踪控制模块把共振频率附近的解调曲线斜率当作解调输出
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频率偏差转换系数，输出微波源中心频率
和NV色心共振频率之间的频率偏差信号，并以此调整微波源输出信号的中心频率值。这样可以使每一次磁场测量过程都处于频率
‑
解调幅值线性区约束范围内，具有较高的测量精度。但该方式存在的问题在于系统处于在待测磁场快速、大幅度改变情况下，前后两次测量值之间的差值会超出线性区约束范围而无法获取到有效的调频依据，出现跟踪丢失的问题。
[0005]基于这种背景，为避免频率跟踪控制方法超出频率
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解调幅值线性约束范围后出现跟踪丢失的问题，保证频率跟踪控制方法在磁场快速、大幅度改变场景下的精准测量，一种用于大动态范围、高精度量子传感的共振频率跟踪控制方法对磁场或其他参量的量子传感系统及其应用具有重要的意义。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于金刚石NV色心的量子传感频率跟踪控制方法及系统，旨在解决传统频率跟踪控制方法超出线性约束范围后出现跟踪丢失的问题，保证频率跟踪控制方法在磁场快速、大幅度的幅值突变下的精准测量。
[0007]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种基于金刚石NV色心的量子传感频率跟踪控制方法，包括以下步骤：S1，根据计算得到频率偏差ε1，其中，为磁旋比，为外加待测磁场与NV轴向的夹角，，为当前时刻通过辅助磁场测量装置获取的外加待测磁场强度，的初始值为零；将微波源的频率调整为f 1，其中，f 1=f 0+ε1，f 0为上一轮循环结束时微波源的频率，f 0的初始值为微波源起始频率；S2，根据解调幅值与频率偏差的转换系数K计算f 1频率下的解调幅值对应的频率偏差δ2，再将微波源的频率调整为f 2，其中，f 2=f 1+δ2，所述转换系数K通过获取f 0前后的多个频率点对应的解调幅值拟合得到；S3，计算频率偏差ε=f 2
‑
f 0，并根据计算得到磁场强度的变化量，将磁场强度的变化量与求和后赋值给，再返回S1继续下一轮频率跟踪控制。
[0008]进一步地，将S2替换为S2'，所述S2'包括：S21'，若f 1频率下的解调幅值V大于误差阈值W，则根据解调幅值与频率偏差的转换系数K计算f 1频率下的解调幅值对应的频率偏差δ2，再将微波源的频率调整为f 2并执行S3，其中，f 2=f 1+δ2，所述转换系数K通过获取f0前后的多个频率点对应的解调幅值拟合得到；否则，执行S22'；S22'，对当前V进行累加，获得累加值Vi，同时计数器值n执行自加1操作；S23'，若累加值Vi大于误差阈值W或者计数器值n大于最大累计次数，根据δ2'=Vi/（n
·
K）计算频率偏差δ2'，再将微波源的频率调整为f 2并执行S3，其中，f 2=f 1+δ2'；否则，返回S21'。
[0009]为实现上述目的，第二方面，本专利技术提供了另一种基于金刚石NV色心的量子传感频率跟踪控制方法，包括以下步骤：S0，若f 0频率下的解调幅值大于保护阈值，则执行S1；否则，执行S3；其中，f 0为上一轮循环结束时微波源的频率，f 0的初始值为微波源起始频率；
S1，根据计算得到频率偏差ε1，其中，为磁旋比，为外加待测磁场与NV轴向的夹角，，为当前时刻通过辅助磁场测量装置获取的外加待测磁场强度，的初始值为零；将微波源的频率调整为f 1，其中，f 1=f 0+ε1；S2，根据解调幅值与频率偏差的转换系数K计算f 1频率下的解调幅值对应的频率偏差δ2，再将微波源的频率调整为f 2并执行S4，其中，f 2=f 1+δ2，所述转换系数K通过获取f 0前后的多个频率点对应的解调幅值拟合得到；S3，根据解调幅值与频率偏差的转换系数K计算f 0频率下的解调幅值对应的频率偏差δ2'，再将微波源的频率调整为f 2并执行S4，其中，f 2=f 0+δ2'，所述转换系数K通过获取f 0前后的多个频率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金刚石NV色心的量子传感频率跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，根据计算得到频率偏差ε1，其中，为磁旋比，为外加待测磁场与NV轴向的夹角，，为当前时刻通过辅助磁场测量装置获取的外加待测磁场强度，的初始值为零；将微波源的频率调整为f 1，其中，f 1=f 0+ε1，f 0为上一轮循环结束时微波源的频率，f 0的初始值为微波源起始频率；S2，根据解调幅值与频率偏差的转换系数K计算f1频率下的解调幅值对应的频率偏差δ2，再将微波源的频率调整为f 2，其中，f 2=f 1+δ2，所述转换系数K通过获取f0前后的多个频率点对应的解调幅值拟合得到；S3，计算频率偏差ε=f2
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f0，并根据计算得到磁场强度的变化量，将磁场强度的变化量与求和后赋值给，再返回S1继续下一轮频率跟踪控制。2.根据权利要求1所述的基于金刚石NV色心的量子传感频率跟踪控制方法，其特征在于，将S2替换为S2'，所述S2'包括：S21'，若f 1频率下的解调幅值V大于误差阈值W，则根据解调幅值与频率偏差的转换系数K计算f 1频率下的解调幅值对应的频率偏差δ2，再将微波源的频率调整为f 2并执行S3，其中，f 2=f 1+δ2，所述转换系数K通过获取f 0前后的多个频率点对应的解调幅值拟合得到；否则，执行S22'；S22'，对当前V进行累加，获得累加值Vi，同时计数器值n执行自加1操作；S23'，若累加值Vi大于误差阈值W或者计数器值n大于最大累计次数，根据δ2'=Vi/（n
·
K）计算频率偏差δ2'，再将微波源的频率调整为f 2并执行S3，其中，f 2=f 1+δ2'；否则，返回S21'。3.一种基于金刚石NV色心的量子传感频率跟踪控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S0，若f 0频率下的解调幅值大于保护阈值，则执行S1；否则，执行S3；其中，f 0为上一轮循环结束时微波源的频率，f 0的初始值为微波源起始频率；S1，根据计算得到频率偏差ε1，其中，为磁旋比，为外加待测磁场与NV轴向的夹角，，为当前时刻通过辅助磁场测量装置获取的外加待测磁场强度，的初始值为零；将微波源的频率调整为f 1，其中，f 1=f 0+ε1；S2，根据解调幅值与频率偏差的转换系数K计算f 1频率下的解调幅值对应的频率偏差δ2，再将微波源的频率调整为f 2并执行S4，其中，f 2=f 1+δ2，所述转换系数K通过获取f 0前后的多个频率点对应的解调幅值拟合得到；S3，根据解调幅值与频率偏差的转换系数K计算f 0频率下的解调幅值对应的频率偏差δ2'，再将微波源的频率调整为f 2并执行S4，其中，f 2=f 0+δ2'，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冬，雷耀武，陈德智，左晨，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：