金刚石氮空位色心温度计激发激光稳定控制装置及方法与流程

本发明涉及金刚石nv色心测温，具体涉及一种金刚石氮空位色心温度计激发激光稳定控制装置及方法。

背景技术：

1、金刚石nv色心温度计是一种基于固态量子自旋原理的高精度、微纳米尺度新型温度计，其通过光探测磁共振谱线获得电子自旋-自旋偶极子相互作用产生的零场分裂能d，以建立d与温度之间的关系实现温度测量，有望解决生物医学、芯片制造等前沿领域中缺乏高精度微观测温手段的问题。

2、金刚石nv色心测温主要涉及激光激发、微波操控、荧光检测三大关键技术，其中激光起到极化电子自旋的作用，而荧光则由极化的电子自旋从激发态跃迁回基态产生，因此激光功率的波动会引起nv色心荧光光强的波动，导致odmr(光探测磁共振)谱线噪声增大，温度测量精度降低，故需要对金刚石nv色心温度计的激光功率进行稳定控制。目前抑制激光功率波动对odmr谱线测量的影响主要是通过脉冲式激光和微波实现归一化脉冲式odmr谱线测量，使用参考荧光信号减小激光波动的影响，该类方法无法从根源上抑制激光波动对测量的影响，因此抑制效果有限，并且会带来激光引起的加热效应波动等问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种金刚石氮空位色心温度计激发激光稳定控制装置及方法，从入射金刚石样品的激光源头上实现功率的稳定控制，通过将基于液晶相位延迟器的光强稳定闭环控制设计，融合于基于声光调制的激发激光光路，实现金刚石nv色心温度计的全激光光路功率稳定闭环控制，从源头上抑制激光波动的影响，提升温度测量精度及稳定性。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种金刚石氮空位色心温度计激发激光稳定控制装置，主要包括激发激光器、激光稳定闭环控制模块、声光调制模块和荧光收集模块；

4、所述激发激光器用于提供激光光源；

5、激光稳定闭环控制模块包括第一半波片、第一偏振分光棱镜、第一光电探测器、液晶相位延迟器、检偏器、第二半波片、第二偏振分光棱镜、第二光电探测器和闭环控制单元；

6、声光调制模块包括第一凸透镜、声光调制器、第二凸透镜、光阑、声光调制器驱动和脉冲发生器；

7、所述荧光收集模块包括物镜、二向色镜、滤光片和第三光电探测器；

8、所述第一半波片和第一偏振分光棱镜沿激发激光器发出的激光的光路依次布置，第一偏振分光棱镜用于将激光分为两束线偏振光，所述第一光电探测器位于第一偏振分光棱镜分出的其中一束线偏振光的光路上，所述液晶相位延迟器、检偏器、第一凸透镜、声光调制器在第一偏振分光棱镜分出的另一束线偏振光的光路上依次布置；激光经声光调制器分为一级衍射光和零级衍射光，第二凸透镜、光阑、第二半波片和第二偏振分光棱镜在一级衍射光的光路上依次布置；第二偏振分光棱镜用于将第二半波片的出射光分为两束线偏振光，第二光电探测器位于第二偏振分光棱镜分出的其中一束线偏振光的光路上，二向色镜位于第二偏振分光棱镜分出的另一束线偏振光的光路上；二向色镜用于将接收到的光线反射至物镜；金刚石样品台用于放置块状或纳米颗粒金刚石nv色心样品，其位置与所述物镜相对，金刚石nv色心样品受激光作用发出荧光，所述滤光片和第三光电探测器在荧光的光路上依次布置；

9、第二光电探测器和液晶相位延迟器均与所述闭环控制单元通讯连接，闭环控制单元用于在接收到第二光电探测器反馈的电信号并ad转换后，通过p id控制算法计算出控制结果，然后通过da转换输出控制电压作用于液晶相位延迟器，调节液晶相位延迟器的相位延迟量；

10、声光调制器驱动分别与脉冲发生器和声光调制器连接，所述脉冲发生器用于产生设定频率的矩形波施加于声光调制器驱动上，使声光调制器驱动用于输出矩形波高低电平以控制声光调制器的开断，使入射金刚石nv色心样品的激光为脉冲式，脉冲频率为矩形波的频率。

11、进一步地，第一偏振分光棱镜的光轴与检偏器的光轴垂直，并与液晶相位延迟器的快轴成45°的夹角，检偏器的透光轴垂直于声光调制器的晶体轴。

12、进一步地，激发激光器产生的激发激光为平行光，其经过第一凸透镜使激光汇聚于其焦点并入射声光调制器，出射后产生的一级衍射光经过第二凸透镜后变为平行光，声光调制器中的晶体位于第一凸透镜和第二凸透镜的焦点处。

13、进一步地，脉冲发生器产生的调制频率应大于闭环控制单元对液晶相位延迟器的控制频率。

14、本发明还提供一种利用上述所述金刚石氮空位色心温度计激发激光稳定控制装置的方法，具体过程如下：

15、激发激光器产生的激发激光经第一半波片、第一偏振分光棱镜后变为两束线偏振光，第一偏振分光棱镜分出的一束线偏振光入射第一光电探测器，用于原始激光波动情况的监控；第一偏振分光棱镜分出的另一束线偏振光经液晶相位延迟器、检偏器、第一凸透镜、声光调制器后分为一级衍射和零级衍射两束线偏振光，其中零级衍射光被光阑遮挡，一级衍射光经第二凸透镜、光阑、第二半波片、第二偏振分光棱镜后分为两束线偏振光，第二偏振分光棱镜分出的其中一束线偏振光入射第二光电探测器后转化为电信号，作为激发激光功率的反馈信号进入闭环控制单元，经pid控制算法输出控制电压作用于液晶相位延迟器，以实时调节液晶相位延迟器的相位延迟量，使第二偏振分光棱镜分出的另一束线偏振光的功率一直保持稳定；第二偏振分光棱镜分出的另一束线偏振光经二向色镜反射进入物镜汇聚后入射至金刚石样品台，使金刚石nv色心样品激发出稳定的荧光；

16、荧光从金刚石nv色心样品发出，依次通过物镜、二向色镜、滤光片后，入射至第三光电探测器被转化为电信号，用于实现odmr谱线的测量。

17、本发明的有益效果在于：利用本发明可明显提升金刚石nv色心温度计的长期稳定性及光路的抗干扰能力，有效抑制环境温度等变化引起的激光功率波动，以及激光功率波动引起的加热效应波动，实现长期稳定的荧光输出及温度、磁场等测量，从而有利于金刚石nv色心温度计在电力系统、芯片制造等领域中的应用。

技术特征：

1.一种金刚石氮空位色心温度计激发激光稳定控制装置，其特征在于，包括激发激光器、激光稳定闭环控制模块、声光调制模块和荧光收集模块；

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一偏振分光棱镜的光轴与检偏器的光轴垂直，并与液晶相位延迟器的快轴成45°的夹角，检偏器的透光轴垂直于声光调制器的晶体轴。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，激发激光器产生的激发激光为平行光，其经过第一凸透镜使激光汇聚于其焦点并入射声光调制器，出射后产生的一级衍射光经过第二凸透镜后变为平行光，声光调制器中的晶体位于第一凸透镜和第二凸透镜的焦点处。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，脉冲发生器产生的调制频率应大于闭环控制单元对液晶相位延迟器的控制频率。

5.一种利用权利要求1-4任一所述金刚石氮空位色心温度计激发激光稳定控制装置的方法，其特征在于，具体过程如下：

技术总结
本发明公开了一种金刚石氮空位色心温度计激发激光稳定控制装置及方法，包括激发激光器、激光稳定闭环控制模块、声光调制模块和荧光收集模块，通过将基于液晶相位延迟器的光强稳定闭环控制设计，融合于基于声光调制的激发激光光路，实现金刚石NV色心温度计的全激光光路功率稳定闭环控制。利用本发明可明显提升金刚石NV色心温度计的长期稳定性及光路的抗干扰能力，有效抑制环境温度等变化引起的激光功率波动，以及激光功率波动引起的加热效应波动，实现长期稳定的荧光输出及温度、磁场等测量，从而有利于金刚石NV色心温度计在电力系统、芯片制造等领域中的应用。

技术研发人员：邢力,吴飞翔,冯晓娟,张金涛
受保护的技术使用者：中国计量科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2025/3/27