金刚石NV色心磁强测量系统及其应用的制作方法

本发明涉及金刚石色心量子传感，尤其涉及一种金刚石nv色心磁强测量系统及其应用。

背景技术：

1、金刚石nv色心是一个具有各种优良性质的固态单自旋量子的体系，与传统材料相比，金刚石具有室温工作，稳定、耐高温、耐腐蚀、耐辐照等特性，可适应各种极端环境。

2、目前，基于金刚石nv色心结合磁通量聚集器技术，可以实现ft/hz1/2量级的磁场测量，同时可实现较大的探测带宽，补充现有磁强计体系的不足。当磁探测灵敏度达到ft/hz1/2水平的同时，意味着可以对更加微弱的生物磁场进行探测，例如人体的心磁和脑磁，一般心磁的磁场强度在100pt/hz1/2，脑磁磁场强度在500ft/hz1/2，采用结合磁通量聚集技术的金刚石nv色心磁强计也可以达到该灵敏度测量需求。

3、但是，基于金刚石nv色心生物磁场测量通常需要在磁屏蔽环境下、固定位置进行测量，而无法在地磁场下的自由空间运动条件下进行测量，这将在很大程度上限制金刚石nv色心磁场测量技术在生物磁场测量方面的应用。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种金刚石nv色心磁强测量系统及其应用，以解决目前的磁强测量装置无法实现动态测量的问题。

2、第一方面，本发明实施例提供了一种金刚石nv色心磁强测量系统，测量系统包括至少两套金刚石nv色心磁强探头、激光光路模块、多探头微波调制模块和锁相处理模块；

3、金刚石nv色心磁强探头包括金刚石nv色心以及分别位于金刚石nv色心上下表面的磁通量聚集器和微波天线，用于过滤金刚石nv色心激发出的第一荧光的过滤片，以及用于收集第二荧光的光电探测器；

4、激光光路模块包括激光器，用于产生至少两束激光，每束激光直接照射到其中一个金刚石nv色心上；

5、多探头微波调制模块包括至少两个独立的微波调制单元，每个微波调制单元与其中一个金刚石nv色心磁强探头的微波天线连接，并用于发射调制的微波信号；

6、锁相处理模块分别与至少两套金刚石nv色心磁强探头的光电探测器的输出端连接，且锁相处理模快还需获取调制的微波信号的参考频率。

7、在一种可能的实现方式中，测量系统包括第一金刚石nv色心磁强探头和第二金刚石nv色心磁强探头；

8、激光光路模块还包括分束镜、反射镜片、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一光纤和第二光纤；

9、激光器发射的激光通过分束镜分成两束激光，第一束激光通过第一光纤准直器耦合到第一光纤，并通过第一光纤照射到第一金刚石nv色心磁强探头的金刚石nv色心上；

10、第二束激光经过反射镜片通过第二光纤准直器耦合到第二光纤，并通过第二光纤照射到第二金刚石nv色心磁强探头的金刚石nv色心上。

11、在一种可能的实现方式中，第一光纤的裸光纤端面对准第一金刚石nv色心磁强探头的金刚石nv色心；

12、第二光纤的裸光纤端面对准第二金刚石nv色心磁强探头的金刚石nv色心；

13、分束镜的分光比例为50:50。

14、在一种可能的实现方式中，第一金刚石nv色心磁强探头与第一金刚石nv色心磁强探头之间的距离为2cm-10cm。

15、在一种可能的实现方式中，锁相处理模块中的信号采集端口与第二金刚石nv色心磁强探头的光电探测器的输出端连接，锁相处理模块中的差分输入端口与第一金刚石nv色心磁强探头的光电探测器的输出端连接。

16、在一种可能的实现方式中，第一荧光为绿光，第二荧光为红光。

17、在一种可能的实现方式中，磁通量聚集器的形状为三角形、梯形或圆锥形。

18、在一种可能的实现方式中，金刚石nv色心为片状的系综金刚石nv色心，色心浓度为0.01ppm～10ppm，金刚石nv色心的表面粗糙度为0.1nm～10nm。

19、第二方面，本发明实施例提供了一种用于测量动态心磁的测量系统，包括第一方面的金刚石nv色心磁强测量系统，将金刚石nv色心磁强测量系统中的任意一个金刚石nv色心磁强探头贴近心脏，且将该金刚石nv色心磁强探头的光电探测器的输出端与锁相处理模块中的信号采集端口连接，另一个金刚石nv色心磁强探头的输出端与锁相处理模块中的差分输入端口连接。

20、第三方面，本发明实施例提供了一种用于测量动态脑磁的测量系统，包括第一方面的金刚石nv色心磁强测量系统，将金刚石nv色心磁强测量系统中的任意一个金刚石nv色心磁强探头贴近脑袋，且将该金刚石nv色心磁强探头的光电探测器的输出端与锁相处理模块中的信号采集端口连接，另一个金刚石nv色心磁强探头的输出端与锁相处理模块中的差分输入端口连接。

21、本发明实施例提供一种金刚石nv色心磁强测量系统及其应用，通过使用至少两套独立的金刚石nv色心磁强探头，以及每套金刚石nv色心磁强探头均对应一个独立的微波调制单元，从而可以实现532nm激光激发出的红光进行激光噪声的共模抑制。此外，当待测物体移动时，可以通过两套探头的技术实现远端磁场的差分消除，实现了在移动环境下的生物磁场的测量。

技术特征：

1.一种金刚石nv色心磁强测量系统，其特征在于，所述测量系统包括至少两套金刚石nv色心磁强探头、激光光路模块、多探头微波调制模块和锁相处理模块；

2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括第一金刚石nv色心磁强探头和第二金刚石nv色心磁强探头；

3.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述第一光纤的裸光纤端面对准所述第一金刚石nv色心磁强探头的金刚石nv色心；

4.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述第一金刚石nv色心磁强探头与所述第一金刚石nv色心磁强探头之间的垂直距离为2cm-10cm。

5.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述锁相处理模块中的信号采集端口与所述第二金刚石nv色心磁强探头的光电探测器的输出端连接，所述锁相处理模块中的差分输入端口与所述第一金刚石nv色心磁强探头的光电探测器的输出端连接。

6.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述激光器为532nm激光器，所述第一荧光为绿光，所述第二荧光为红光。

7.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述磁通量聚集器的形状为三角形、梯形或圆锥形。

8.如权利要求1-7任一项所述的测量系统，其特征在于，所述金刚石nv色心为片状的系综金刚石nv色心，色心浓度为0.01ppm～10ppm，所述金刚石nv色心的表面粗糙度为0.1nm～10nm。

9.一种用于测量动态心磁的测量系统，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的金刚石nv色心磁强测量系统，将所述金刚石nv色心磁强测量系统中的任意一个金刚石nv色心磁强探头贴近心脏，且将该金刚石nv色心磁强探头的光电探测器的输出端与锁相处理模块中的信号采集端口连接，另一个金刚石nv色心磁强探头的输出端与锁相处理模块中的差分输入端口连接。

10.一种用于测量动态脑磁的测量系统，其特征在于，包括所述权利要求1-8任一项所述的金刚石nv色心磁强测量系统，将所述金刚石nv色心磁强测量系统中的任意一个金刚石nv色心磁强探头贴近脑袋，且将该金刚石nv色心磁强探头的光电探测器的输出端与锁相处理模块中的信号采集端口连接，另一个金刚石nv色心磁强探头的输出端与锁相处理模块中的差分输入端口连接。

技术总结
本发明提供一种金刚石NV色心磁强测量系统及其应用，金刚石NV色心磁强探头包括金刚石NV色心及位于金刚石NV色心上下表面的磁通量聚集器和微波天线，第一荧光的过滤片，以及用于收集第二荧光的光电探测器；激光光路模块包括激光器，用于产生至少两束激光，每束激光直接照射到其中一个金刚石NV色心上；多探头微波调制模块包括至少两个独立的微波调制单元，每个微波调制单元与其中一个金刚石NV色心磁强探头的微波天线连接，并用于发射调制的微波信号；锁相处理模块分别与至少两套金刚石NV色心磁强探头的光电探测器的输出端连接，且锁相处理模快还需获取调制的微波信号的参考频率。本发明的磁强测量系统可以实现移动环境下的测量。

技术研发人员：高学栋,冯志红,蔚翠,周幸叶,毛泽坤,张栋耀,郭建超,何泽召,周闯杰,刘庆彬,马孟宇
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第十三研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/11/7