專利名稱：磁場測量裝置及其制作方法、一種磁場測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁場測量技術，尤其涉及一種磁場測量裝置及其制作方法、一種磁場測量方法。
背景技術：
在金剛石晶體中，存在一種由N原子取代C原子的雜質缺陷，當這個雜質缺陷和一個C原子空位相鄰時就構成了一個NV色心。單個NV色心具有特殊的電子結構和光躍遷性質，在磁場測量和磁成像等領域有著潛在的重要應用。NV色心受到合適波長的光激發(fā)時會發(fā)出熒光，NV色心的熒光波長在600 800nm， 其中在637nm位置會有一個零聲子線的發(fā)光峰。NV色心的熒光強度會受到外加微波和磁場的影響，利用光探測磁共振譜的方法可以測得磁場強度，采用該方法測量磁場強度的過程具體為給NV色心外加一個微波時，這個微波會影響NV色心的電子自旋狀態(tài)，由于NV色心特殊的電子結構和光躍遷性質，其電子自旋狀態(tài)改變，NV色心的熒光強度也會隨之改變， 因此，改變微波頻率，會得到NV色心的熒光強度與微波頻率的變化關系，不同的NV色心，但其熒光強度與微波頻率的變化關系基本上是相同的，熒光強度最小時對應的微波頻率的差別很小，基本都在2. 87GHz左右，因此，不同的NV色心，出現熒光強度峰值時的微波頻率是差不多的。所述熒光強度是指NV色心熒光在某一波段時，在預設的積分時間段(一般為幾十毫秒)內發(fā)光強度的總和，比如波長在eOOnm-SOOnm范圍內的發(fā)光強度的總和，當NV色心外加的微波頻率與2. 87GHz相差較多時，熒光強度較大，當微波頻率在2. 87GHz左右是，熒光強度達到最小，這里所述的熒光強度峰值就是指隨微波頻率的變化，熒光強度的最小值， 該熒光強度峰值出現在微波頻率為2. 87GHz左右。熒光強度峰值的個數與NV色心的數量有關，對于單個NV色心，在只有外加微波， 而沒有外加磁場時，只有1個熒光強度峰值，外加磁場后，由于塞曼效應和電子自旋，單NV 色心的能級會發(fā)生分裂，從而出現2個熒光強度峰值，而且兩個熒光強度峰值所對應的兩個微波頻率的差值(簡稱微波頻率差)與磁場強度有著一定的線性關系，通過測量兩個熒光強度峰值之間的微波頻率差就可以得到外加磁場的磁場強度，該過程如

圖1和圖2所示， 圖1為沒有外加磁場時，單NV色心熒光強度與微波頻率的關系圖，圖2為外加磁場強度為 IOOGauss的磁場時，單NV色心熒光強度與微波頻率的關系圖，圖中橫坐標表示微波頻率， 單位為GHz，縱坐標表示熒光強度改變的百分比。相應的，對于多個NV色心，在只有外加微波，而沒有外加磁場時，就有2個或多個熒光強度峰值，外加磁場后，熒光強度峰值就會更多，從而不便于對外加磁場強度的計算。 因此，在測量外加磁場強度時，一般采用單NV色心。利用單個NV色心來進行磁場測量和磁成像是近幾年發(fā)展起來的新方法，利用該方法的前提是需要先在找到單個NV色心，之后在將該單NV色心放入磁場中進行測量，目前尋找并確認金剛石中的單個NV色心采用的方法是共聚焦顯微技術，即利用共聚焦顯微系統(tǒng)可以尋找并定位單個NV色心，但是這種方法具有以下幾點不足1)共聚焦顯微系統(tǒng)需要最好的顯微成像系統(tǒng)和納米級的掃描系統(tǒng)，因此必然導致成本高昂；2)尋找和定位單個NV色心還需要花費大量的時間和人力，因此使用單個NV色心測量磁場的過程中，也必然會耗費大量的時間和人力在單個NV色心的尋找和定位上；3)由于共聚焦顯微系統(tǒng)的焦點會因為溫度、干擾等多種外界因素而漂移，從而導致單個NV色心的定位不穩(wěn)定，從而影響磁場測量的準確性；4)采用共聚焦顯微技術同時只能對一個NV色心進行研究，一套共聚焦顯微系統(tǒng)只能對應一個或一組色心，一旦更換色心后就很難再找到原先的色心；5)采用共聚焦顯微技術找到的單個NV色心不能脫離共聚焦顯微系統(tǒng)使用，而共聚焦顯微系統(tǒng)不容易移植到低溫、磁場和電場等外場系統(tǒng)中去，這就必然限制了用單個NV 色心測量磁場技術的發(fā)展。因此，若要利用單NV色心測量磁場，就必須在克服上述困難的基礎上，研制出一套全新的磁場測量裝置和方法。

發(fā)明內容
為解決上述技術問題，本發(fā)明實施例提供了一種磁場測量裝置及其制作方法、一種磁場測量方法，解決了現有技術中的問題，降低了利用單NV色心測量磁場的成本，節(jié)省了時間和人力，同時，可方便的在任一磁場環(huán)境中利用單NV色心測量磁場，而不受共聚焦顯微系統(tǒng)的限制。為解決上述問題，本發(fā)明實施例提供了如下技術方案一種磁場測量裝置，包括由兩根光纖連接而成的一根組合光纖；封裝在所述兩根光纖端面之間的具有單NV色心的單晶金剛石顆粒；設置在所述組合光纖外壁的微波傳輸線；與所述微波傳輸線相連的微波發(fā)生器；與所述組合光纖的一端相連的激光器；與所述組合光纖的另一端相連的光譜儀；其中，在所述組合光纖的一端輸入激發(fā)光，在所述組合光纖的另一端接收到單NV 色心的熒光。優(yōu)選的，所述微波傳輸線具體為包裹在所述組合光纖外壁的金屬管，或纏繞在所述組合光纖外壁的金屬線。優(yōu)選的，所述金屬管的管壁厚度范圍或所述金屬線的直徑范圍均為10 μ m-90 μ m。優(yōu)選的，還包括設置于所述組合光纖中的濾光片。優(yōu)選的，還包括與所述微波傳輸線相連的負載電阻。優(yōu)選的，還包括兩個耦合器，其中，一個耦合器位于所述激光器與所述組合光纖一端之間，另一個耦合器位于所述光譜儀與所述組合光纖另一端之間。本發(fā)明實施例還公開了一種磁場測量裝置的制作方法，包括
a)固定兩根光纖，所述兩根光纖的端面相對，且位于同一直線上，其中，一根光纖連接激光器，傳輸激發(fā)光，另一根光纖連接光譜儀；b)將含有單晶金剛石顆粒的懸濁液滴在所述兩根光纖的端面之間，待溶劑蒸發(fā)后觀察所述光譜儀上是否出現NV色心的典型熒光，如果有，進入步驟c)，否則，進入步驟g)；c)將連接光譜儀的光纖連接至時間振幅轉換器，通過測試反關聯函數，判斷所述兩根光纖端面之間的NV色心是否為單NV色心，如果是，進入步驟d)，否則，進入步驟g)；d)連接所述兩根光纖的端面，將具有單NV色心的金剛石顆粒封裝在所述兩根光纖的端面之間，得到組合光纖；e)在所述組合光纖外設置微波傳輸線；f)將所述組合光纖的一端與激光器相連，另一端與光譜儀相連，將所述微波傳輸線與微波發(fā)生器相連，完成該磁場測量裝置的制作；g)清洗掉所述兩根光纖端面之間的單晶金剛石顆粒，重復步驟b)。優(yōu)選的，判斷所述兩根光纖端面之間的NV色心是否為單NV色心的過程具體為根據以下關系式判斷g( τ )和Δ τ的關系
權利要求
1.一種磁場測量裝置，其特征在于，包括由兩根光纖連接而成的一根組合光纖；封裝在所述兩根光纖端面之間的具有單NV色心的單晶金剛石顆粒；設置在所述組合光纖外壁的微波傳輸線；與所述微波傳輸線相連的微波發(fā)生器；與所述組合光纖的一端相連的激光器；與所述組合光纖的另一端相連的光譜儀；其中，在所述組合光纖的一端輸入激發(fā)光，在所述組合光纖的另一端接收到單NV色心的熒光。
2.根據權利要求1所述的磁場測量裝置，其特征在于，所述微波傳輸線具體為包裹在所述組合光纖外壁的金屬管，或纏繞在所述組合光纖外壁的金屬線。
3.根據權利要求2所述的磁場測量裝置，其特征在于，所述金屬管的管壁厚度范圍或所述金屬線的直徑范圍均為 ο μ m-90 μ m。
4.根據權利要求1所述的磁場測量裝置，其特征在于，還包括設置于所述組合光纖中的濾光片。
5.根據權利要求4所述的磁場測量裝置，其特征在于，還包括與所述微波傳輸線相連的負載電阻。
6.根據權利要求5所述的磁場測量裝置，其特征在于，還包括兩個耦合器，其中，一個耦合器位于所述激光器與所述組合光纖一端之間，另一個耦合器位于所述光譜儀與所述組合光纖另一端之間。
7.—種磁場測量裝置的制作方法，其特征在于，包括a)固定兩根光纖，所述兩根光纖的端面相對，且位于同一直線上，其中，一根光纖連接激光器，傳輸激發(fā)光，另一根光纖連接光譜儀；b)將含有單晶金剛石顆粒的懸濁液滴在所述兩根光纖的端面之間，待溶劑蒸發(fā)后觀察所述光譜儀上是否出現NV色心的典型熒光，如果有，進入步驟c)，否則，進入步驟g)；c)將連接光譜儀的光纖連接至時間振幅轉換器，通過測試反關聯函數，判斷所述兩根光纖端面之間的NV色心是否為單NV色心，如果是，進入步驟d)，否則，進入步驟g)；d)連接所述兩根光纖的端面，將具有單NV色心的金剛石顆粒封裝在所述兩根光纖的端面之間，得到組合光纖；e)在所述組合光纖外設置微波傳輸線；f)將所述組合光纖的一端與激光器相連，另一端與光譜儀相連，將所述微波傳輸線與微波發(fā)生器相連，完成該磁場測量裝置的制作；g)清洗掉所述兩根光纖端面之間的單晶金剛石顆粒，重復步驟b)。
8.根據權利要求7所述的磁場測量裝置的制作方法，其特征在于，判斷所述兩根光纖端面之間的NV色心是否為單NV色心的過程具體為根據以下關系式判斷g( τ )和Δ τ的關系
9.一種磁場測量方法，其特征在于，采用權利要求1-7任一項所述的磁場測量裝置，該方法包括在所述組合光纖的一端輸入激發(fā)光，另一端連接光譜儀，并在所述微波傳輸線中輸入一定頻率的微波；利用一個標準磁場對所述組合光纖中的單NV色心進行定標，得到每單位強度的磁場對應的微波頻率差；將完成單NV色心定標的組合光纖置于待測的磁場中，改變所述微波傳輸線中輸入的微波的頻率，并測量該單NV色心在其熒光波長范圍內的熒光強度，得到在該單NV色心的兩個熒光強度峰值時所對應的兩個微波頻率；計算得到所述兩個微波頻率的差值；根據所述差值以及每單位強度的磁場對應的微波頻率差，計算得到待測磁場的磁場強度。
10.根據權利要求9所述的磁場測量方法，其特征在于，所述定標的過程具體為將所述組合光纖置于標準磁場中，改變所述微波傳輸線中輸入的微波的頻率，得到所述組合光纖中的單NV色心在其熒光波長范圍內的兩個熒光強度峰值，并測量得到在該單 NV色心的兩個熒光強度峰值時所對應的兩個微波頻率；計算得到所述兩個微波頻率的差值；根據所述標準磁場的磁場強度以及所述兩個微波頻率的差值，計算得到每單位強度的磁場對應的微波頻率差。
全文摘要
本發(fā)明實施例公開了一種磁場測量裝置及其制作方法、一種磁場測量方法，該裝置包括由兩根光纖連接而成的一根組合光纖；封裝在所述兩根光纖端面之間的具有單NV色心的單晶金剛石顆粒；設置在組合光纖外壁的微波傳輸線；與微波傳輸線相連的微波發(fā)生器；與組合光纖的一端相連的激光器；與組合光纖的另一端相連的光譜儀；其中，在組合光纖的一端輸入激發(fā)光，在另一端接收到單NV色心的熒光。本發(fā)明利用封裝在光纖中的單個NV色心來進行磁場的測量，避免了共聚焦顯微系統(tǒng)的使用，降低了尋找單NV色心的成本，節(jié)省了時間和人力，且可方便的在任一磁場環(huán)境中利用單NV色心測量磁場，而不受共聚焦顯微系統(tǒng)的限制。
文檔編號G01R33/032GK102193074SQ20111006264
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月15日 優(yōu)先權日2011年3月15日
發(fā)明者馮付攀, 劉曉迪, 尹 民, 王冠中, 祝巍 申請人:中國科學技術大學