一種色心金剛石陀螺的製作方法

2023-07-25 13:08:21 4

一種色心金剛石陀螺的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種色心金剛石陀螺，其採用內含高濃度氮原子-空位(NV-)色心的金剛石材料作為敏感元件，利用光學及微波手段實現電子能級的操控與檢測，實現載體角速度的測量。本發明具有室溫操作，體積小，成本低廉等優點，相比於現有的MEMS等具有同樣定位的陀螺儀來說，它理論靈敏度可更高，同時具有更好的穩定性，對研製新一代基於原子自旋效應的高穩定、小體積的固態原子陀螺儀有著重要的價值，將服務於未來各領域特別是民用低精度領域的慣性導航和測姿系統。
【專利說明】—種色心金剛石陀螺【技術領域】
[0001]本發明涉及陀螺的【技術領域】，具體涉及一種色心金剛石陀螺，對研製新一代基於原子自旋效應的高精度、高穩定、小體積的固態原子陀螺儀有著重要的價值，將服務於未來民用及軍用各領域的小型低成本慣性導航和姿態測量系統。
【背景技術】
[0002]隨著微電子機械加工技術的不斷進步，以MEMS陀螺為代表的一類低成本陀螺儀開始進入人們生活的每個角落，從手機、平板電腦到汽車等人們的日常生活用品中開始越來越多的用到了利用陀螺儀的姿態測量及慣性導航系統。另外，在國防技術方面，需要更多的低成本但仍保持一定精度的陀螺儀應用於各類戰術武器平臺和彈藥中，採用體積更小、成本更低的陀螺儀代替目前價格相對來說仍然較貴的光學陀螺儀。
[0003]目前慣性導航系統使用的各類陀螺儀中，雷射陀螺和光纖陀螺漂移可達0.001° /h，但單個陀螺儀成本在數十萬；MEMS陀螺儀成本僅幾百元，靈敏度可做到
0.05° /h1/2，但是漂移通常為幾度甚至十幾度每小時，幾分鐘之內就不能繼續用於慣性導航。因此目前急需探索具有MEMS陀螺儀的成本和光學陀螺儀精度的新型陀螺儀。隨著原子光子領域的重大科學發現與技術突破，目前國內外都在探索基於量子力學的原子陀螺儀，主要包括核磁共振陀螺儀、無自旋交換弛豫(SERF)原子自旋陀螺儀、冷原子幹涉陀螺儀，以期在使現有陀螺儀各方面性能有重大提升。
[0004]目前研究中的原子陀螺儀多基於氣體原子，由氣體原子間相互碰撞以及氣體原子與原子氣室壁相互碰撞而引發的弛豫難以克服，而採用光學方法測量使得原子氣室的製作工藝成為限制此類陀螺儀理論精度提高的關鍵因素。採用固體材料利用其中的原子自旋進行慣性測量則可以避免因碰撞而產生的弛豫，另外固體材料可以提升材料中原子自旋密度，從而提高信噪比。`
[0005]近年來，內含NV_色心的金剛石材料在量子計算、量子測量等領域的應用不斷引起研究人員的關注。採用NV_色心中的電子自旋與核自旋可以實現空間旋轉的測量。通過離子輻照後的金剛石材料中的NV—色心可達IO18CnT3的密度，通過微波和射頻場實現核自旋的極化，利用核自旋旋磁比小的特點，可以有效的降低磁場、溫度波動、材料表面張力等引入的誤差，大大提高陀螺的穩定性指標。利用核自旋和電子自旋之間的耦合作用，可將核自旋布居數寫入電子自旋布居數，從而實現高效讀出。利用NV—色心氮原子核自旋進行慣性測量，可實現隨機遊走優於0.05° /h1/2mm3的高穩定性固體原子陀螺儀，同時具有小體積、低成本的特點。

【發明內容】

[0006]本發明要解決的技術問題是:提出一種基於金剛石內NV_色心氮原子核自旋的色心金剛石陀螺，具有可比擬於MEMS陀螺的成本，同時具有接近光學陀螺儀的精度。
[0007]本發明解決上述技術問題採用的技術方案為:一種色心金剛石陀螺，其特徵在於:分為樣品腔、雷射腔和探測腔三個部分；其中:
[0008]所述的樣品腔中包括高濃度氮原子-空位(NV_)色心金剛石材料作為核心敏感元件，材料中NV_色心濃度達IO1Vcm3以上，厚度大於150 μ m,尺寸大於I X 1mm2，粘接於玻璃基底上，其位置位於第一 RF線圈和微波天線的中心處，RF線圈是由第一 RF線圈和微波天線兩個線圈組成的赫姆赫茲線圈，玻璃基底粘接於鏡面上，後者鍍多層介質膜用以反射637nm波長的螢光，包括4塊高靈敏面陣CCD用於檢測637nm螢光，每一塊面陣CCD前均粘接一塊濾波片，該濾波片可透過637nm突光,截止波長大於532nm,第一 RF線圈粘接與鏡面的內表面，而第二 RF線圈粘接於一塊平凸透鏡的表面，該透鏡的焦點聚焦於色心金剛石材料放置位置中心略靠後的位置，使532nm雷射會聚照射在色心金剛石材料中心處1_直徑的圓上，色心金剛石材料的周圍為由直徑20 μ m銅線組成的微波天線，微波天線加工於玻璃基底上，其底部為正方形，在色心金剛石材料中間區域處產生均勻的微波場；
[0009]所述的雷射腔包括一個垂直腔面發射半導體雷射器(VCSEL雷射器)，發出的532nm雷射通過底面的偏振窗口入射至腔內的二向色鏡上，偏振窗口內嵌一個偏振鏡；二向色鏡呈45度放置粘接於雷射腔內，532nm雷射入射後反射至樣品腔中，從樣品腔中發出的螢光入射到二向色鏡後投射進入探測腔中；
[0010]所述的探測腔包括濾波片，會聚透鏡和第五高靈敏面陣(XD，濾波片截止波長大於532nm可阻斷532nm光同時透過637nm光；會聚透鏡將637nm突光會聚於焦面，即第五高靈敏面陣CCD所在位置處，第五高靈敏面陣CCD在637nm附近具有響應峰值。
[0011]其中，利用VCSEL雷射器的偏振特性實現雷射的快速開關，根據雷射時序調整輸入VCSEL雷射器的輸入電流,使其輸出雷射的偏振方向發生變化，從而使得通過偏振窗口的雷射強度發生變化,實現雷射脈衝時序的產生。
[0012]其中，使用時按照以下時序完成一次角速度的測量:
[0013](I)、初始化階段:啟動電源，輸出一個雷射脈衝初始化NV_色心電子自旋；通過微波天線輸入一個微波脈衝初始化NV—色心氮原子核自旋，微波頻率約等於2.87GHz，脈衝時間tpaL=l.5 μ s ;再次輸入一個雷射脈衝重新初始化NV_色心電子自旋；
[0014](2)、測量階段:輸入射頻磁場脈衝，脈衝頻率4.95MHz，脈衝時長為半個核自旋的拉比振蕩周期即η脈衝；讓體系自由演化乜時間，tm小於NV_色心氮原子核自旋的橫向弛豫時間T2 ;再輸入一個時長為π射頻磁場脈衝；
[0015](3)、讀出階段:輸入微波脈衝，脈衝時長為半個NV_色心電子自旋的拉比振蕩周期即η脈衝；第一個脈衝後間隔時間\=1/2八再輸入一個π脈衝，A為電子自旋與核自旋的耦合係數，為2.2MHz ;輸入微波脈衝後輸入一個雷射脈衝進行電子自旋的檢測，讀出信號。
[0016]本發明的原理:本發明通過對金剛石內NV_色心自旋在空間旋轉時產生的幾何相進行檢測實現轉動角速度的測量。其基本原理為:利用532nm雷射將NV—色心電子自旋極化，使電子自旋初始化至自旋S=O的態。通過施加頻率約為2.88GHz的微波，利用雙光子躍遷，實現自旋態從電子自旋到核自旋的傳遞。當金剛石樣品在空間中發生旋轉時，被極化的核自旋在Ramsey序列下將發生幾何相的積累。通過一組微波序列作用可以實現核自旋能量和電子自旋能量的交換，從而將核自旋布居轉移為電子自旋的布居。利用532nm雷射照射可將電子自旋從基態激發，此時自旋S=O態的電子從激發態落回基態時發出的螢光多於自旋S=I態的電子發出的螢光，利用該效應即可實現電子自旋布居數的檢測，從而可得到核自旋布居及幾何相位的大小，進而可獲得色心NV軸繞旋轉軸的角速度。
[0017]關於利用幾何相測量NV軸繞旋轉軸旋轉角速度的基本原理為:考慮一個量子體系，其哈密頓量依賴於磁場，依周期演化，體系的量子態隨時間的演化遵守含時薛丁格方程，在滿足絕熱定理的條件下，相位按時間演化的結果中存在一個絕熱相，該絕熱相不依賴於以磁場為參量的路徑如何行走，稱為Berry幾何相。利用斯託克斯定理化為路徑積分為參數空間中的面積分，形式上，可獲得與磁矢勢有關的表達式，則絕熱相的內涵即為以磁場矢量端點劃出的路徑為邊界的曲面的磁通量，對應於磁場轉過的立體角的大小。基於Berry幾何相的色心金剛石陀螺即檢測此立體角大小獲得載體旋轉引起的陀螺慣性信號。
[0018]本發明與現有技術相比的優點在於:
[0019](I)、本發明相比於以氣態原子為敏感元的原子自旋陀螺，基於色心金剛石內NV—色心核自旋的色心金剛石陀螺，採用固體材料中的原子自旋作為敏感元，可以使單位體積內敏感原子數目提高了 4至5個數量級，可有效提高檢測信噪比，同時縮小元件體積；
[0020](2)、本發明利用旋磁比小的氮原子核自旋進行敏感，能有效抑制磁場噪聲，相比於利用電子自旋的慣性測量裝置，提高了信噪比；
[0021](3)、本發明對操作溫度沒有要求，所有測量可以在室溫下進行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的結構圖正視圖；
[0023]圖2為本發明的結構圖俯視圖；
[0024]圖3為本發明的微波天線結構圖；
[0025]圖4為本發明的操作時序圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖以及【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0027]如圖1和圖2所示的一種色心金剛石陀螺，分為樣品腔17、雷射腔18和探測腔19三個部分。
[0028]樣品腔17中包括高濃度氮原子-空位(NV_)色心金剛石材料I作為核心敏感元件，材料中NV_色心濃度達IO1Vcm3以上，厚度大於150 μ m,尺寸大於I X 1mm2，粘接於玻璃基底2上，其位置位於RF線圈3和微波天線9的中心處，RF線圈是由RF線圈3和微波天線9兩個線圈組成的赫姆赫茲線圈。玻璃基底2粘接於鏡面4上，後者鍍多層介質膜用以反射637nm波長的螢光。包括4塊高靈敏面陣(XD5、6、7、8用於檢測637nm螢光，每一塊面陣CXD前均粘接一塊濾波片，該濾波片可透過637nm螢光，截止波長大於532nm。RF線圈3粘接與鏡面4的內表面，而RF線圈10粘接於一塊平凸透鏡11的表面，該透鏡的焦點聚焦於色心金剛石材料I放置位置中心略靠後的位置，使532nm雷射會聚照射在色心金剛石材料I中心處Imm直徑的圓上。色心金剛石材料I的周圍為由直徑20 μ m銅線組成的微波天線9，微波天線9加工於玻璃基底2上，其底部為正方形，在色心金剛石材料I中間區域處產生均勻的微波場，如圖3所示。
[0029]雷射腔18包括一個垂直腔面發射半導體雷射器(VCSEL雷射器)13，發出的532nm雷射通過底面的偏振窗口 20入射至腔內的二向色鏡12上,偏振窗口 20內嵌一個偏振鏡；二向色鏡12呈45度放置粘接於雷射腔18內，532nm雷射入射後反射至樣品腔17中，從樣品腔17中發出的螢光入射到二向色鏡12後投射進入探測腔19中。利用VCSEL雷射器13的偏振特性實現雷射的快速開關。根據雷射時序調整輸入VCSEL雷射器13的輸入電流，使其輸出雷射的偏振方向發生變化，從而使得通過偏振窗口 20的雷射強度發生變化，實現雷射脈衝時序的產生。
[0030]探測腔19包括濾波片14，會聚透鏡15和高靈敏面陣(XD16。濾波片截止波長大於532nm可阻斷532nm光同時透過637nm光；會聚透鏡15將637nm突光會聚於焦面，即高靈敏面陣(XD16所在位置處。高靈敏面陣(XD16在637nm附近具有響應峰值。
[0031]具體實施例:
[0032]一種色心金剛石陀螺的【具體實施方式】為:雷射腔18包括一個VECSEL雷射器13，發出的532nm雷射通過底面的偏振窗口 20入射至腔內的二向色鏡12上，偏振窗口 20內嵌一個偏振鏡；通過調整雷射器的輸入電流控制VECSEL雷射器輸出雷射的偏振方向，通過偏振方向的旋轉控制雷射通過偏振鏡後的通斷；通過偏振鏡的雷射入射到呈45度放置粘接於雷射腔18內的二向色鏡12上，532nm雷射將反射後通過平凸透鏡11入射至樣品腔17中；平凸透鏡11將雷射聚焦於色心金剛石材料I上，對金剛石中的NAT色心進行激發，進行色心自旋的初始化以及自旋布居數的螢光檢測；NV_色心自旋被激發後將產生波長637nm的螢光向四周發射，其中射向底面的螢光被鏡面4反射，由高靈敏面陣CCD5、6、7、8接受檢測，或通過平凸透鏡11後再透過二向色鏡12射向探測腔19中；射向探測腔的螢光通過濾波片截止波長為532nm雷射的濾波片14後再通過會聚透鏡15聚焦於高靈敏面陣(XD16上。
[0033]RF線圈3和U型微波天線9中保持輸入偏置電流使得色心金剛石材料I處感受到一個IOG的均勻磁場，提供極化偏置場實現電子自旋的極化；外圍電路控制U型微波天線9輸入微波脈衝，頻率為2.88GHz，實現電子自旋能量和核自旋能量的交換，極化核自旋；然後在外圍電路控制下由RF線圈3和U型微波天線9輸入RF脈衝信號，RF頻率為4.95MHz，控制NV—色心核自旋翻轉，輸入Ramsey序列實現慣性測量；然後外圍電路再次通過U型微波天線控制輸入微波脈衝將核自旋布居轉寫為電子自旋布居。
[0034]一種色心金剛石陀螺在其實施操作時，如圖4所示，按照以下時序進行:
[0035]初始化階段:啟動電源，輸出一個雷射脈衝初始化NV—色心電子自旋；通過微波天線9輸入一個微波脈衝初始化NV—色心氮原子核自旋，微波頻率約等於2.87GHz，脈衝時間tpol=l.5 μ s ;再次輸入一個雷射脈衝重新初始化N'T色心電子自旋。
[0036]測量階段:輸入射頻磁場脈衝，脈衝頻率4.95MHz，脈衝時長為半個核自旋的拉比振蕩周期即η脈衝；讓體系自由演化乜時間，tm小於NV_色心氮原子核自旋的橫向弛豫時間T2 ;再輸入一個時長為π射頻磁場脈衝。
`[0037]讀出階段:輸入微波脈衝，脈衝時長為半個NV_色心電子自旋的拉比振蕩周期即^脈衝；第一個脈衝後間隔時間\=1/2Α再輸入一個脈衝，A為電子自旋與核自旋的耦合係數，為2.2MHz ;輸入微波脈衝後輸入一個雷射脈衝進行電子自旋的檢測，讀出信號。
[0038]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。
【權利要求】
1.一種色心金剛石陀螺，其特徵在於:分為樣品腔(17)、雷射腔(18)和探測腔(19)三個部分；其中: 所述的樣品腔(17)中包括高濃度氮原子-空位(NV_)色心金剛石材料(I)作為核心敏感元件，材料中NV_色心濃度達IO18/cm3以上,厚度大於150 μ m,尺寸大於I X Imm2,粘接於玻璃基底(2)上，其位置位於第一 RF線圈(3)和微波天線(9)的中心處，RF線圈是由第一 RF線圈(3 )和微波天線(9 )兩個線圈組成的赫姆赫茲線圈，玻璃基底(2 )粘接於鏡面(4)上，後者鍍多層介質膜用以反射637nm波長的螢光，包括4塊高靈敏面陣CCD (5、6、7、8)用於檢測637nm突光,每一塊面陣CCD前均粘接一塊濾波片，該濾波片可透過637nm突光,截止波長大於532nm，第一 RF線圈(3)粘接與鏡面(4)的內表面，而第二 RF線圈(10)粘接於一塊平凸透鏡(11)的表面，該透鏡的焦點聚焦於色心金剛石材料(I)放置位置中心略靠後的位置，使532nm雷射會聚照射在色心金剛石材料(I)中心處1_直徑的圓上，色心金剛石材料(I)的周圍為由直徑20 μ m銅線組成的微波天線(9)，微波天線(9)加工於玻璃基底(2)上，微波天線(9)的底部為正方形，在色心金剛石材料(I)中間區域處產生均勻的微波場； 所述的雷射腔(18)包括一個垂直腔面發射半導體雷射器即VCSEL雷射器(13)，發出的532nm雷射通過底面的偏振窗口(20)入射至腔內的二向色鏡(12)上，偏振窗口(20)內嵌一個偏振鏡；二向色鏡(12)呈45度放置粘接於雷射腔(18)內，532nm雷射入射後反射至樣品腔(17)中，從樣品腔(17)中發出的螢光入射到二向色鏡(12)後投射進入探測腔(19)中； 所述的探測腔(19)包括濾波片(14)，會聚透鏡(15)和第五高靈敏面陣CXD (16)，濾波片截止波長大於532nm可阻斷532nm光同時透過637nm光；會聚透鏡(15)將637nm突光會聚於焦面，即第五高靈敏面陣CXD (16)所在位置處，第五高靈敏面陣CXD (16)在637nm附近具有響應峰值。
2.根據權利要求1所述的色心金剛石陀螺，其特徵在於利用VCSEL雷射器(13)的偏振特性實現雷射的快速開關，根據雷射時序調整輸入VCSEL雷射器(13)的輸入電流，使其輸出雷射的偏振方向發生變化，從而使得通過偏振窗口(20)的雷射強度發生變化，實現雷射脈衝時序的產生。
3.根據權利要求1所述的色心金剛石陀螺，其特徵在於，使用時按照以下時序完成一次角速度的測量: (1)、初始化階段:啟動電源，輸出一個雷射脈衝初始化NV—色心電子自旋；通過微波天線(9)輸入一個微波脈衝初始化NV—色心氮原子核自旋，微波頻率約等於2.87GHz，脈衝時間tpaL=l.5 μ s ;再次輸入一個雷射脈衝重新初始化NV_色心電子自旋； (2)、測量階段:輸入射頻磁場脈衝，脈衝頻率4.95MHz，脈衝時長為半個核自旋的拉比振蕩周期即η脈衝；讓體系自由演化乜時間，tm小於NV_色心氮原子核自旋的橫向弛豫時間T2 ;再輸入一個時長為π射頻磁場脈衝； (3)、讀出階段:輸入微波脈衝，脈衝時長為半個NV_色心電子自旋的拉比振蕩周期即^脈衝；第一個脈衝後間隔時間\=1/2Α再輸入一個脈衝，A為電子自旋與核自旋的耦合係數，為2.2MHz ;輸入微波脈衝後輸入一個雷射脈衝進行電子自旋的檢測，讀出信號。
【文檔編號】G01C19/58GK103557855SQ201310565956
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】房建成, 張晨, 張寧, 袁珩 申請人:北京航空航天大學