一種基於nv色心金剛石的微波傳感器的製造方法
2023-05-05 01:51:31 2
一種基於nv色心金剛石的微波傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於NV色心金剛石的新型微波傳感器，採用內含氮原子-空位(Nitrogen-Vacancy，NV)色心的金剛石材料作為敏感元件，利用雷射實現電子能級激發，並掃描外加靜磁場，通過螢光強度檢測實現微波頻率和強度的測量。本發明發揮了金剛石中NV色心電子拉比振蕩對外界微波磁場的依賴性，具有較高的理論精度和較好的穩定性，並且具有體積小、成本低、精度高、溫度範圍大、操作條件簡易等優勢，是一種基於固體原子自旋的新型微波傳感器，可服務於未來各個領域的低成本高精度的微波頻率和強度檢測需求。
【專利說明】—種基於NV色心金剛石的微波傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及微波傳感器的【技術領域】，具體涉及一種基於NV色心金剛石的新型微波傳感器，對研製新一代基於固體原子自旋效應的微波傳感器有著重要的意義和價值，將服務於未來各個領域特別是通信、網絡領域的微波頻率和場強測量。
【背景技術】
[0002]隨著通信行業和網絡技術的飛速發展與廣泛普及，對於無線通訊、網絡連接和雷達收發的需求日益增長，由此對於加工測試過程中對於電子設備的本地振蕩器頻率、無線通訊基站的主時鐘和軍用民用衛星雷達通訊系統的信號頻率測定和校準提出了更高更多方面的要求。同時人們對於現代生活質量和安全的要求越來越突顯，關於手機、電腦對人體輻射檢測和監控的需求也提上日程。因此迫切需要能夠檢測微波頻率和強度，尤其是通信、網絡領域的無線頻率和強度的高精度、低成本、小體積可攜式微波傳感器。
[0003]目前用於測量微波頻率和場強的微波傳感器的工作原理普遍運用都卜勒效應或者微波熱效應特性來進行測量。這兩種最常用的微波傳感器都存在難以日常化、小型化的弊端，都卜勒效應微波傳感器普遍需要微波接收天線來實現反射回波的測量，而熱效應微波傳感器也需要熱能檢測裝置。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是:提出一種基於NV色心金剛石的微波傳感器，具有成本低、體積小、精度高、溫度範圍大、操作條件簡易和工作壽命長等特性。本發明還提供了所述基於NV色心金剛石新型微波傳感器的基本原理和工作方式。
[0005]本發明解決上述技術問題採用的技術方案為:
[0006]一種基於氮原子-空位(Nitrogen-Vacancy, NV)色心金剛石的新型微波傳感器，包括半導體雷射器、雪崩光電二極體、環形器和微波探頭。所述微波探頭包括內嵌NV色心金剛石敏感部件；
[0007]所述半導體雷射器、雪崩光電二極體和環形器集成於微波傳感器外框內。半導體雷射器發出的532nm雷射通過光纖進入環形器後，經光纖和光纖頭到達內嵌NV色心金剛石，從而激發內嵌NV色心電子能級。內嵌NV色心金剛石受激發後由於感受微波磁場，NV色心激發態電子將與微波產生共振並發出600nm-800nm突光。內嵌NV色心金剛石發出的突光通過光纖返迴環形器，並由螢光光纖到達濾波片濾掉532nm綠色反射雷射只讓螢光通過。之後螢光到達雪崩光電二極體，通過檢測螢光強度的變化實現微波頻率和強度的檢測。光纖和線圈電源線分別與微波探頭連接，線圈電源線通過微波傳感器外框與外界電源連接。
[0008]所述內嵌NV色心金剛石位於微波探頭前端，並與光纖頭固連。光纖頭與光纖連接進行532nm雷射和螢光的傳輸。內嵌NV色心金剛石遠離光纖頭的端面覆有介質膜用於反射內嵌NV色心金剛石產生的突光,並通過光纖頭收集。在光纖頭和內嵌NV色心金剛石外部纏繞細銅線形成靜磁場線圈，靜磁場線圈的接線端和接線端連接到線圈電源線用於為靜磁場線圈供電產生靜磁場。探頭末端鍍一層介質膜，反射中心波長為637nm。微波探頭外框前端開槽形成探測孔以方便微波頻率和強度的檢測。
[0009]所述內嵌NV色心金剛石的大小為200 X 200 X 50 μ m3，內嵌NV色心金剛石中NV色心濃度達111Vcm3。
[0010]所述光纖頭的橫截面尺寸與內嵌NV色心金剛石尺寸配合。
[0011]所述內嵌NV色心金剛石遠離光纖頭的端面覆有介質膜，反射中心波長為637nm。
[0012]所述探測孔的橫截面直徑為500 μ m。
[0013]另外，本發明提供一種基於NV色心金剛石的微波傳感器，按照以下工作方法實現微波頻率和場強的測量:
[0014]利用內嵌NV色心金剛石的電子基態能級隨特定頻率微波分裂的特性，通過掃描外界靜磁場從螢光幅值得到微波磁共振圖譜來確定微波頻率，最終由NV色心的拉比振蕩頻率測得外界微波磁場的強度。同時本發明利用光纖傳輸能夠最大範圍的實現小體積多方位微波測量。
[0015]當半導體雷射器發出532nm雷射並通過光纖、環形器、光纖和光纖頭達到內嵌NV色心金剛石時，532nm雷射將NV色心電子基態激發到激發態，同時快速調節線圈電源線內所通的電流來掃描靜磁場線圈對內嵌NV色心金剛石產生的靜磁場，由於NV色心特有的激發態能級結構，當電子從激發態回落到基態時將發出與基態能級布局數相對應的螢光。此時內嵌NV色心金剛石產生的螢光和反射回來的532nm雷射一起經過光纖頭和光纖到達環形器，並通過螢光光纖到達濾波片濾得螢光，最終螢光達到雪崩光電二極體。
[0016]經過一次靜磁場掃描後，雪崩光電二極體接收到掃描範圍內的全頻率螢光強度，在與外界微波磁場頻率共振處的內嵌NV色心金剛石基態能級發生分裂，由外接相應數據處理系統得到螢光頻率譜圖中螢光強度最低處即為外界微波頻率。之後對內嵌NV色心金剛石施加並維持已測量到的外界微波頻率對應的靜磁場電流，並由雪崩光電二極體持續檢測螢光強度變化得到對應拉比振蕩曲線，從拉比振蕩頻率中得到外界微波磁場強度。
[0017]本發明的原理:本發明通過利用內嵌NV色心金剛石的固體原子自旋與微波相互作用的原理實現對外界微波頻率和強度的測量。NV色心的基態能級為三重態，並且存在
2.97GHz的零場分裂，即當外界微波頻率為2.97GHz時NV色心電子基態能級將發生分裂。當用532nm雷射輻照內嵌NV色心金剛石時，NV色心電子基態將被激發到激發態，由於NV色心特有的激發態能級結構在電子回落到基態時會發出一定強度的螢光。通過掃描外加靜磁場可以得到NV色心的電子磁共振譜線亦或超精細能級磁共振譜線，有譜線中螢光最低點即為外界微波頻率點。運用超精細耦合作用可以達到0.1MHz的微波頻率精確度。在測量出外界微波頻率後，還可根據此頻率對應的靜磁場強度來持續檢測微波對螢光強度變化的影響，從而得到拉比振蕩譜線。從拉比振蕩頻率中即可得到外界微波強度。
[0018]本發明與現有技術相比的優點在於:
[0019](I)、本發明利用內嵌NV色心金剛石固體材料，能夠同時測量一定範圍內的微波頻率和強度，頻率精度可達0.1MHz，且可以小體積測量，可有效解決傳統微波傳感器對於精度和傳感器體積的矛盾；
[0020](2)、本發明利用光纖式探頭突破了被探測對象距離和尺寸的限制，能夠在大範圍溫度調節下正常工作，壽命長，對操作環境沒有嚴格要求，擴大了系統應用範圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的結構圖；
[0022]圖2為本發明的微波探頭側面剖視圖；
[0023]圖3為本發明的微波探頭右視圖；
[0024]附圖標記列示如下:1-微波傳感器外框，2-半導體雷射器，3-雪崩光電二極體，4-環形器,5-微波探頭,6-光纖,7-線圈電源線,8-濾波片,9-雷射光纖，10-突光光纖，11-靜磁場線圈，12-介質膜，13-內嵌NV色心金剛石，14-光纖頭，15-探測孔,16-第一接線端，17-第二接線端。
【具體實施方式】
[0025]下面結合附圖以及【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0026]如圖1所示，一種基於NV色心金剛石的微波傳感器，包括半導體雷射器2、雪崩光電二極體3、環形器4和微波探頭5。所述微波探頭5包括內嵌NV色心金剛石13敏感部件，靜磁場線圈11，光纖頭14和介質膜12。
[0027]半導體雷射器2、雪崩光電二極體3和環形器4集成於微波傳感器外框I內。半導體雷射器2發出的532nm雷射通過螢光光纖9進入環形器4後，經光纖6和橫截面大小與金剛石配合的光纖頭14到達內嵌NV色心金剛石13，從而激發內嵌NV色心電子能級。大小為200 X 200 X 50 μ m3的內嵌NV色心金剛石13受激發後由於感受微波磁場，NV色心激發態電子將與微波產生共振並發出600nm-800nm螢光。內嵌NV色心金剛石13中NV色心濃度達Il1Vcm3以上亦可製作為單光子源材料。內嵌NV色心金剛石13發出的螢光通過光纖6返迴環形器4，並由螢光光纖10到達濾波片8濾掉532nm綠色反射雷射只讓螢光通過。之後螢光到達雪崩光電二極體3，通過檢測螢光強度的變化實現微波頻率和強度的檢測。光纖6和線圈電源線7分別與微波探頭5連接，線圈電源線7通過微波傳感器外框I與外界電源連接。
[0028]所述內嵌NV色心金剛石13位於微波探頭5前端，並與光纖頭14固連。光纖頭14與光纖6連接進行532nm雷射和螢光的傳輸。內嵌NV色心金剛石13遠離光纖頭14的端面覆有反射中心波長為637nm的介質膜12用於反射內嵌NV色心金剛石13產生的突光,並通過光纖頭14收集。在光纖頭14和內嵌NV色心金剛石13外部纏繞細銅線形成靜磁場線圈11，靜磁場線圈11的第一接線端16和第二接線端17連接到線圈電源線7用於為靜磁場線圈11供電產生靜磁場。微波探頭5外框前端開槽形成橫截面直徑為500 μ m的探測孔15以方便微波頻率和強度的檢測。
[0029]基於NV色心金剛石的新型微波傳感器的測量微波頻率和場強的工作方法主要是:
[0030]利用內嵌NV色心金剛石的電子基態能級隨特定頻率微波分裂的特性，通過掃描外界靜磁場從螢光幅值得到微波磁共振圖譜來確定微波頻率，最終由NV色心的拉比振蕩頻率測得外界微波磁場的強度。同時本發明利用光纖傳輸能夠最大範圍的實現小體積多方位微波測量。
[0031]當半導體雷射器2發出532nm雷射並通過螢光光纖9、環形器4、光纖6和光纖頭14達到內嵌NV色心金剛石13時，532nm雷射將NV色心電子基態激發到激發態，同時快速調節線圈電源線7內所通的電流來掃描靜磁場線圈11對內嵌NV色心金剛石13產生的靜磁場，由於NV色心特有的激發態能級結構，當電子從激發態回落到基態時將發出與基態能級布局數相對應的螢光。此時內嵌NV色心金剛石13產生的螢光和反射回來的532nm雷射一起經過光纖頭14和光纖6到達環形器4，並通過螢光光纖10到達濾波片9濾得螢光，最終螢光達到雪崩光電二極體3。經過一次靜磁場掃描後，雪崩光電二極體3接收到掃描範圍內的全頻率螢光強度，在與外界微波磁場頻率共振處的內嵌NV色心金剛石13基態能級發生分裂，由外接相應數據處理系統得到螢光頻率譜圖中螢光強度最低處即為外界微波頻率。之後對內嵌NV色心金剛石13施加並維持已測量到的外界微波頻率對應的靜磁場電流，並由雪崩光電二極體3持續檢測螢光強度變化得到對應拉比振蕩曲線，從拉比振蕩頻率中得到外界微波磁場強度。
[0032]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。儘管上面對本發明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便於本技術領的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於【具體實施方式】的範圍，對本【技術領域】的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
【權利要求】
1.一種基於NV色心金剛石的微波傳感器，其特徵在於，包括半導體雷射器(2)、雪崩光電二極體(3)、環形器⑷和微波探頭(5)，所述微波探頭(5)包括內嵌NV色心金剛石(13)敏感部件； 半導體雷射器(2)、雪崩光電二極體(3)和環形器(4)集成於微波傳感器外框(I)內，半導體雷射器(2)發出的532nm雷射通過雷射光纖(9)進入環形器(4)後，經光纖(6)和光纖頭(14)到達內嵌NV色心金剛石(13)，從而激發內嵌NV色心電子能級；內嵌NV色心金剛石(13)受激發後由於感受微波磁場，NV色心激發態電子將與微波產生共振並發出600nm-800nm突光；內嵌NV色心金剛石(13)發出的突光通過光纖(6)返迴環形器⑷，並由螢光光纖(10)到達濾波片(8)濾掉532nm綠色反射雷射只讓螢光通過，之後螢光到達雪崩光電二極體(3)，通過檢測螢光強度的變化實現微波頻率和強度的檢測；光纖(6)和線圈電源線(7)分別與微波探頭(5)連接，線圈電源線(7)通過微波傳感器外框⑴與外界電源連接； 所述內嵌NV色心金剛石(13)位於微波探頭(5)前端，並與光纖頭(14)固連；光纖頭(14)與光纖(6)連接進行532nm雷射和螢光的傳輸；內嵌NV色心金剛石(13)遠離光纖頭(14)的端面覆有介質膜(12)用於反射內嵌NV色心金剛石(13)產生的螢光，並通過光纖頭(14)收集；在光纖頭(14)和內嵌NV色心金剛石(13)外部纏繞細銅線形成靜磁場線圈(11)，靜磁場線圈(11)的第一接線端(16)和第二接線端(17)連接到線圈電源線(7)用於為靜磁場線圈(11)供電產生靜磁場，微波探頭(5)外框前端開槽形成探測孔(12)以方便微波頻率和強度的檢測。
2.根據權利要求1所述的一種基於NV色心金剛石的微波傳感器，其特徵在於，所述內嵌NV色心金剛石(13)的大小為200X 200X 50 μ m3，內嵌NV色心金剛石中NV色心濃度達Il1Vcm3 以上。
3.根據權利要求1所述的一種基於NV色心金剛石的微波傳感器，其特徵在於，所述光纖頭(14)的橫截面尺寸與內嵌NV色心金剛石尺寸配合。
4.根據權利要求1所述的一種基於NV色心金剛石的微波傳感器,其特徵在於，內嵌NV色心金剛石(13)遠離光纖頭的端面覆有介質膜，反射中心波長為637nm。
5.根據權利要求1所述的一種基於NV色心金剛石的微波傳感器，其特徵在於，所述探測孔的橫截面直徑為500 μ m。
6.一種如權利要求1至5之一所述的基於NV色心金剛石的微波傳感器的測量微波頻率和場強的工作方法，其特徵在於: 利用內嵌NV色心金剛石的電子基態能級隨特定頻率微波分裂的特性，通過掃描外界靜磁場從螢光幅值得到微波磁共振圖譜來確定微波頻率，最終由NV色心的拉比振蕩頻率測得外界微波磁場的強度； 當半導體雷射器(2)發出532nm雷射並通過雷射光纖(9)、環形器(4)、光纖(6)和光纖頭(14)達到內嵌NV色心金剛石(13)時，532nm雷射將NV色心電子基態激發到激發態，同時快速調節線圈電源線(7)內所通的電流來掃描靜磁場線圈(11)對內嵌NV色心金剛石(13)產生的靜磁場，由於NV色心特有的激發態能級結構，當電子從激發態回落到基態時將發出與基態能級布局數相對應的螢光，此時內嵌NV色心金剛石(13)產生的螢光和反射回來的532nm雷射一起經過光纖頭(14)和光纖(6)到達環形器(4)，並通過螢光光纖(10)到達濾波片(8)濾得螢光，最終螢光達到雪崩光電二極體(3)； 經過一次靜磁場掃描後，雪崩光電二極體(3)接收到掃描範圍內的全頻率突光強度，在與外界微波磁場頻率共振處的內嵌NV色心金剛石(13)基態能級發生分裂，由外接相應數據處理系統得到螢光頻率譜圖中螢光強度最低處即為外界微波頻率，之後對內嵌NV色心金剛石(13)施加並維持已測量到的外界微波頻率對應的靜磁場電流，並由雪崩光電二極體(3)持續檢測螢光強度變化得到對應拉比振蕩曲線，從拉比振蕩頻率中得到外界微波磁場強度。
【文檔編號】G01R33/032GK104360152SQ201410640533
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】房建成, 張寧, 張晨, 徐麗霞, 袁珩 申請人:北京航空航天大學