专利名称：磁场测量装置及其制作方法、一种磁场测量方法
技术领域：
本发明涉及磁场测量技术，尤其涉及一种磁场测量装置及其制作方法、一种磁场测量方法。
背景技术：
在金刚石晶体中，存在一种由N原子取代C原子的杂质缺陷，当这个杂质缺陷和一个C原子空位相邻时就构成了一个NV色心。单个NV色心具有特殊的电子结构和光跃迁性质，在磁场测量和磁成像等领域有着潜在的重要应用。NV色心受到合适波长的光激发时会发出荧光，NV色心的荧光波长在600 800nm， 其中在637nm位置会有一个零声子线的发光峰。NV色心的荧光强度会受到外加微波和磁场的影响，利用光探测磁共振谱的方法可以测得磁场强度，采用该方法测量磁场强度的过程具体为给NV色心外加一个微波时，这个微波会影响NV色心的电子自旋状态，由于NV色心特殊的电子结构和光跃迁性质，其电子自旋状态改变，NV色心的荧光强度也会随之改变， 因此，改变微波频率，会得到NV色心的荧光强度与微波频率的变化关系，不同的NV色心，但其荧光强度与微波频率的变化关系基本上是相同的，荧光强度最小时对应的微波频率的差别很�。径荚�2. 87GHz左右，因此，不同的NV色心，出现荧光强度峰值时的微波频率是差不多的。所述荧光强度是指NV色心荧光在某一波段时，在预设的积分时间段(一般为几十毫秒)内发光强度的总和，比如波长在eOOnm-SOOnm范围内的发光强度的总和，当NV色心外加的微波频率与2. 87GHz相差较多时，荧光强度较大，当微波频率在2. 87GHz左右是，荧光强度达到最�。饫锼龅挠馇慷确逯稻褪侵杆嫖⒉ㄆ德实谋浠馇慷鹊淖钚≈担� 该荧光强度峰值出现在微波频率为2. 87GHz左右。荧光强度峰值的个数与NV色心的数量有关，对于单个NV色心，在只有外加微波， 而没有外加磁场时，只有1个荧光强度峰值，外加磁场后，由于塞曼效应和电子自旋，单NV 色心的能级会发生分裂，从而出现2个荧光强度峰值，而且两个荧光强度峰值所对应的两个微波频率的差值(简称微波频率差)与磁场强度有着一定的线性关系，通过测量两个荧光强度峰值之间的微波频率差就可以得到外加磁场的磁场强度，该过程如
图1和图2所示， 图1为没有外加磁场时，单NV色心荧光强度与微波频率的关系图，图2为外加磁场强度为 IOOGauss的磁场时，单NV色心荧光强度与微波频率的关系图，图中横坐标表示微波频率， 单位为GHz，纵坐标表示荧光强度改变的百分比。相应的，对于多个NV色心，在只有外加微波，而没有外加磁场时，就有2个或多个荧光强度峰值，外加磁场后，荧光强度峰值就会更多，从而不便于对外加磁场强度的计算。 因此，在测量外加磁场强度时，一般采用单NV色心。利用单个NV色心来进行磁场测量和磁成像是近几年发展起来的新方法，利用该方法的前提是需要先在找到单个NV色心，之后在将该单NV色心放入磁场中进行测量，目前寻找并确认金刚石中的单个NV色心采用的方法是共聚焦显微技术，即利用共聚焦显微系统可以寻找并定位单个NV色心，但是这种方法具有以下几点不足1)共聚焦显微系统需要最好的显微成像系统和纳米级的扫描系统，因此必然导致成本高昂；2)寻找和定位单个NV色心还需要花费大量的时间和人力，因此使用单个NV色心测量磁场的过程中，也必然会耗费大量的时间和人力在单个NV色心的寻找和定位上；3)由于共聚焦显微系统的焦点会因为温度、干扰等多种外界因素而漂移，从而导致单个NV色心的定位不稳定，从而影响磁场测量的准确性；4)采用共聚焦显微技术同时只能对一个NV色心进行研究，一套共聚焦显微系统只能对应一个或一组色心，一旦更换色心后就很难再找到原先的色心；5)采用共聚焦显微技术找到的单个NV色心不能脱离共聚焦显微系统使用，而共聚焦显微系统不容易移植到低温、磁场和电场等外场系统中去，这就必然限制了用单个NV 色心测量磁场技术的发展。因此，若要利用单NV色心测量磁�。捅匦朐诳朔鲜隼训幕∩希兄瞥鲆惶兹碌拇懦〔饬孔爸煤头椒�。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种磁场测量装置及其制作方法、一种磁场测量方法，解决了现有技术中的问题，降低了利用单NV色心测量磁场的成本，节省了时间和人力，同时，可方便的在任一磁场环境中利用单NV色心测量磁�。皇芄簿劢瓜晕⑾低车南拗啤Ｎ饩錾鲜鑫侍猓痉⒚魇凳├峁┝巳缦录际醴桨敢恢执懦〔饬孔爸茫ㄓ闪礁庀肆佣傻囊桓楹瞎庀耍环庾霸谒隽礁庀硕嗣嬷涞木哂械V色心的单晶金刚石颗粒；设置在所述组合光纤外壁的微波传输线；与所述微波传输线相连的微波发生器；与所述组合光纤的一端相连的激光器；与所述组合光纤的另一端相连的光谱仪；其中，在所述组合光纤的一端输入激发光，在所述组合光纤的另一端接收到单NV 色心的荧光。优选的，所述微波传输线具体为包裹在所述组合光纤外壁的金属管，或缠绕在所述组合光纤外壁的金属线。优选的，所述金属管的管壁厚度范围或所述金属线的直径范围均为10 μ m-90 μ m。优选的，还包括设置于所述组合光纤中的滤光片。优选的，还包括与所述微波传输线相连的负载电阻。优选的，还包括两个耦合器，其中，一个耦合器位于所述激光器与所述组合光纤一端之间，另一个耦合器位于所述光谱仪与所述组合光纤另一端之间。本发明实施例还公开了一种磁场测量装置的制作方法，包括
a)固定两根光纤，所述两根光纤的端面相对，且位于同一直线上，其中，一根光纤连接激光器，传输激发光，另一根光纤连接光谱仪；b)将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在所述两根光纤的端面之间，待溶剂蒸发后观察所述光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，如果有，进入步骤c)，否则，进入步骤g)；c)将连接光谱仪的光纤连接至时间振幅转换器，通过测试反关联函数，判断所述两根光纤端面之间的NV色心是否为单NV色心，如果是，进入步骤d)，否则，进入步骤g)；d)连接所述两根光纤的端面，将具有单NV色心的金刚石颗粒封装在所述两根光纤的端面之间，得到组合光纤；e)在所述组合光纤外设置微波传输线；f)将所述组合光纤的一端与激光器相连，另一端与光谱仪相连，将所述微波传输线与微波发生器相连，完成该磁场测量装置的制作；g)清洗掉所述两根光纤端面之间的单晶金刚石颗粒，重复步骤b)。优选的，判断所述两根光纤端面之间的NV色心是否为单NV色心的过程具体为根据以下关系式判断g( τ )和Δ τ的关系
权利要求
1.一种磁场测量装置，其特征在于，包括由两根光纤连接而成的一根组合光纤；封装在所述两根光纤端面之间的具有单NV色心的单晶金刚石颗粒；设置在所述组合光纤外壁的微波传输线；与所述微波传输线相连的微波发生器；与所述组合光纤的一端相连的激光器；与所述组合光纤的另一端相连的光谱仪；其中，在所述组合光纤的一端输入激发光，在所述组合光纤的另一端接收到单NV色心的荧光。
2.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，所述微波传输线具体为包裹在所述组合光纤外壁的金属管，或缠绕在所述组合光纤外壁的金属线。
3.根据权利要求2所述的磁场测量装置，其特征在于，所述金属管的管壁厚度范围或所述金属线的直径范围均为 ο μ m-90 μ m。
4.根据权利要求1所述的磁场测量装置，其特征在于，还包括设置于所述组合光纤中的滤光片。
5.根据权利要求4所述的磁场测量装置，其特征在于，还包括与所述微波传输线相连的负载电阻。
6.根据权利要求5所述的磁场测量装置，其特征在于，还包括两个耦合器，其中，一个耦合器位于所述激光器与所述组合光纤一端之间，另一个耦合器位于所述光谱仪与所述组合光纤另一端之间。
7.—种磁场测量装置的制作方法，其特征在于，包括a)固定两根光纤，所述两根光纤的端面相对，且位于同一直线上，其中，一根光纤连接激光器，传输激发光，另一根光纤连接光谱仪；b)将含有单晶金刚石颗粒的悬浊液滴在所述两根光纤的端面之间，待溶剂蒸发后观察所述光谱仪上是否出现NV色心的典型荧光，如果有，进入步骤c)，否则，进入步骤g)；c)将连接光谱仪的光纤连接至时间振幅转换器，通过测试反关联函数，判断所述两根光纤端面之间的NV色心是否为单NV色心，如果是，进入步骤d)，否则，进入步骤g)；d)连接所述两根光纤的端面，将具有单NV色心的金刚石颗粒封装在所述两根光纤的端面之间，得到组合光纤；e)在所述组合光纤外设置微波传输线；f)将所述组合光纤的一端与激光器相连，另一端与光谱仪相连，将所述微波传输线与微波发生器相连，完成该磁场测量装置的制作；g)清洗掉所述两根光纤端面之间的单晶金刚石颗粒，重复步骤b)。
8.根据权利要求7所述的磁场测量装置的制作方法，其特征在于，判断所述两根光纤端面之间的NV色心是否为单NV色心的过程具体为根据以下关系式判断g( τ )和Δ τ的关系
9.一种磁场测量方法，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的磁场测量装置，该方法包括在所述组合光纤的一端输入激发光，另一端连接光谱仪，并在所述微波传输线中输入一定频率的微波；利用一个标准磁场对所述组合光纤中的单NV色心进行定标，得到每单位强度的磁场对应的微波频率差；将完成单NV色心定标的组合光纤置于待测的磁场中，改变所述微波传输线中输入的微波的频率，并测量该单NV色心在其荧光波长范围内的荧光强度，得到在该单NV色心的两个荧光强度峰值时所对应的两个微波频率；计算得到所述两个微波频率的差值；根据所述差值以及每单位强度的磁场对应的微波频率差，计算得到待测磁场的磁场强度。
10.根据权利要求9所述的磁场测量方法，其特征在于，所述定标的过程具体为将所述组合光纤置于标准磁场中，改变所述微波传输线中输入的微波的频率，得到所述组合光纤中的单NV色心在其荧光波长范围内的两个荧光强度峰值，并测量得到在该单 NV色心的两个荧光强度峰值时所对应的两个微波频率；计算得到所述两个微波频率的差值；根据所述标准磁场的磁场强度以及所述两个微波频率的差值，计算得到每单位强度的磁场对应的微波频率差。
全文摘要
本发明实施例公开了一种磁场测量装置及其制作方法、一种磁场测量方法，该装置包括由两根光纤连接而成的一根组合光纤；封装在所述两根光纤端面之间的具有单NV色心的单晶金刚石颗粒；设置在组合光纤外壁的微波传输线；与微波传输线相连的微波发生器；与组合光纤的一端相连的激光器；与组合光纤的另一端相连的光谱仪；其中，在组合光纤的一端输入激发光，在另一端接收到单NV色心的荧光。本发明利用封装在光纤中的单个NV色心来进行磁场的测量，避免了共聚焦显微系统的使用，降低了寻找单NV色心的成本，节省了时间和人力，且可方便的在任一磁场环境中利用单NV色心测量磁�。皇芄簿劢瓜晕⑾低车南拗啤�
文档编号G01R33/032GK102193074SQ20111006264
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者冯付攀, 刘晓迪, 尹 民, 王冠中, 祝巍 申请人:中国科学技术大学
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