本發(fā)明屬于傳感器，具體涉及一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器及測量方法。

背景技術(shù)：

1、磁場測量技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從磁力法、電磁感應(yīng)法、磁飽和法、電磁效應(yīng)法、磁共振法到超導(dǎo)效應(yīng)法等多個階段。這些技術(shù)被廣泛應(yīng)用于宇宙工程、工業(yè)、國防和軍事等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的溫度傳感器主要有熱電溫度傳感器和溫度半導(dǎo)體傳感器，例如基于熱膨脹測溫的溫度傳感器、基于熱電偶和熱電阻的熱電溫度傳感器、基于半導(dǎo)體結(jié)的半導(dǎo)體溫度傳感器，這些方法雖然技術(shù)成熟，但容易受到環(huán)境因素的影響會產(chǎn)生溫度檢測精度降低及誤差偏高等問題且尺寸較大不能用于微小待測目標(biāo)的溫度測量。在生物醫(yī)學(xué)和材料科學(xué)等領(lǐng)域，傳統(tǒng)的溫度和磁場傳感器的應(yīng)用受到極大限制，主要表現(xiàn)在空間分辨率不高，集成度低，難以測量微弱變化等方面。

2、有研究優(yōu)化金剛石傳感器探針尖端半徑提高了熒光收集效率和空間分辨率[nanolett.2023,23,22,10110-10117]。在高分辨率的前提下，基于金剛石色心的光纖傳感器在生物傳感領(lǐng)域有其獨(dú)特優(yōu)勢，例如有研究表明金剛石色心傳感器在生物成像[curr.opin.chem.biol2014,20:69-77]、分子檢測[acs?sens.2021，6，6，2077-2107]和順磁物質(zhì)檢測[acs?sens.2020，5，3，703-710]方面具有廣闊應(yīng)用前景。

3、nv色心在室溫下具有穩(wěn)定的熒光發(fā)射和超長的電子自旋相干時(shí)間，表現(xiàn)出優(yōu)異的量子特性，無需低溫環(huán)境，這使得傳感器更加實(shí)用，易于集成到各種應(yīng)用中。以上特性使得基于nv色心的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁場、溫度的高靈敏度測量。例如，通過光學(xué)檢測磁共振(odmr)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對磁場的高精度測量。nv色心不僅可以用于磁場測量，還可以通過調(diào)整能級來實(shí)現(xiàn)對溫度、壓力等其他物理量的測量，使其成為一種多功能的量子傳感器。nv色心的尺寸在納米級別，通過使用超衍射極限空間分辨率的操控與探測手段，可以實(shí)現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的物理量測量。但是微米結(jié)構(gòu)的物理量對基于nv色心的傳感器提出了更高的空間分辨率和集成度要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而提出，其目的是提供一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器及測量方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器，包括負(fù)責(zé)輸入激發(fā)光和收集熒光的光纖，所述光纖的端面處設(shè)置有金剛石色心，且金剛石色心被光纖的輸出所激發(fā)，所述光纖、金剛石色心外設(shè)置有石英毛細(xì)管，所述石英毛細(xì)管外纏繞有微波天線，所述微波天線的部分裸線與射頻線相連。

3、更進(jìn)一步的，所述射頻線的輸入端與微波放大器相連，所述微波放大器的輸入端與微波發(fā)生器相連。

4、更進(jìn)一步的，所述光纖由一根光纖跳線剝離得到，所述光纖跳線的輸入端與光纖環(huán)形器的第二光纖環(huán)形部相連。

5、更進(jìn)一步的，所述光纖環(huán)形器的第一光纖環(huán)形部與激光器的輸出端相連。

6、更進(jìn)一步的，所述光纖環(huán)形器的第三光纖環(huán)形部輸出的熒光經(jīng)過濾光片后，輸送到光電探測器中，且光電探測器與上位機(jī)相連。

7、更進(jìn)一步的，所述微波天線線圈在石英毛細(xì)管外表面，且與金剛石色心在石英毛細(xì)管內(nèi)部的位置相對應(yīng)。

8、更進(jìn)一步的，所述光纖通過紫外固化膠將金剛石色心以特定方向固定在其端面。

9、更進(jìn)一步的，所述金剛石色心由化學(xué)氣象沉積法和激光切割制備，大小為100*100*100μm。

10、一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器的測量方法，包括以下步驟：

11、a.對金剛石色心進(jìn)行激發(fā)；

12、b.對金剛石色心施加微波；

13、c.nv色心受激輻射產(chǎn)生的熒光由光纖環(huán)形器輸出，經(jīng)過濾波片輸入光電探測器；

14、d.上位機(jī)控制微波發(fā)生器進(jìn)行掃頻；

15、e.光電探測器將收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號；

16、g.上位機(jī)處理微波掃頻信號和電信號。

17、更進(jìn)一步的，步驟a中對金剛石色心nv色心自旋進(jìn)行初始化，完成nv色心量子態(tài)操控的準(zhǔn)備工作。

18、本發(fā)明的有益效果如下：

19、本發(fā)明采用的金剛石色心大小為100*100*100μm，得益于金剛石色心的尺寸較小，傳感器探針整體最小尺寸可控制在270μm，探針部分集成度較高，因此本發(fā)明具有較高的空間分辨率；本發(fā)明摻雜的nv色心濃度較高，且金剛石色心與光纖端面尺寸匹配，因此本發(fā)明的熒光激發(fā)效率和熒光收集效率高。

20、本發(fā)明傳感器探頭部分可以更換，針對不同的需求采用具有不同尺寸和不同nv色心濃度的金剛石色心來集成探針，并且可以通過優(yōu)化金剛石色心的尺寸和選擇更優(yōu)的nv色心的濃度來不斷優(yōu)化傳感器系統(tǒng)，因此本發(fā)明靈活性好和可操控性高。

21、基于以上特性，本發(fā)明憑借探針的高集成度可以實(shí)現(xiàn)對微米結(jié)構(gòu)的物理量進(jìn)行高空間分辨率的穩(wěn)定測量且具較強(qiáng)的實(shí)用性。

22、本發(fā)明采用的傳感器系統(tǒng)，其nv色心在室溫下具有穩(wěn)定的熒光發(fā)射和超長的電子自旋相干時(shí)間，使得基于nv色心的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁場、溫度的高靈敏度測量。通過光學(xué)檢測磁共振(odmr)技術(shù)讀取nv色心電子自旋態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對磁場和溫度的高精度測量。

23、本發(fā)明在室溫下就能表現(xiàn)出優(yōu)異的傳感性能，無需低溫環(huán)境，這使得傳感器更加實(shí)用，易于集成到各種應(yīng)用中，本發(fā)明采用通過光纖集成技術(shù)，將nv色心與光纖系統(tǒng)結(jié)合，利用光纖的優(yōu)良傳輸光能力，實(shí)現(xiàn)高集成度、高空間分辨率的傳感系統(tǒng)，便于實(shí)際應(yīng)用和操作。

技術(shù)特征：

1.一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器，其特征在于：包括負(fù)責(zé)輸入激發(fā)光和收集熒光的光纖（1），所述光纖（1）的端面處設(shè)置有金剛石色心（3），且金剛石色心（3）被光纖（1）的輸出所激發(fā)，所述光纖（1）、金剛石色心（3）外設(shè)置有石英毛細(xì)管（4），所述石英毛細(xì)管（4）外纏繞有微波天線（5），所述微波天線（5）的部分裸線與射頻線（6）相連。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器，其特征在于：所述射頻線（6）的輸入端與微波放大器（7）相連，所述微波放大器（7）的輸入端與微波發(fā)生器（8）相連。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器，其特征在于：所述光纖（1）由一根光纖跳線（2）剝離得到，所述光纖跳線（2）的輸入端與光纖環(huán)形器（10）的第二光纖環(huán)形部（10-2）相連。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器，其特征在于：所述光纖環(huán)形器（10）的第一光纖環(huán)形部（10-1）與激光器（9）的輸出端相連。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器，其特征在于：所述光纖環(huán)形器（10）的第三光纖環(huán)形部（10-3）輸出的熒光經(jīng)過濾光片（11）后，輸送到光電探測器（12）中，且光電探測器（12）與上位機(jī)（13）相連。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器，其特征在于：所述微波天線（5）線圈在石英毛細(xì)管（4）外表面，且與金剛石色心（3）在石英毛細(xì)管（4）內(nèi)部的位置相對應(yīng)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器，其特征在于：所述光纖（1）通過紫外固化膠將金剛石色心（3）以特定方向固定在其端面。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器，其特征在于：所述金剛石色心（3）由化學(xué)氣象沉積法和激光切割制備，大小為100*100*100μm。

9.一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器的測量方法，其特征在于：包括以下步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器的測量方法，其特征在于：步驟a中對金剛石色心（3）nv色心自旋進(jìn)行初始化，完成nv色心量子態(tài)操控的準(zhǔn)備工作。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種高分辨光纖集成金剛石色心傳感器及測量方法，其傳感器，包括負(fù)責(zé)輸入激發(fā)光和收集熒光的光纖，光纖的端面處設(shè)置有金剛石色心，且金剛石色心被光纖的輸出所激發(fā)，光纖、金剛石色心外設(shè)置有石英毛細(xì)管，所述石英毛細(xì)管外纏繞有微波天線，微波天線的部分裸線與射頻線相連。其測量方法，包括以下步驟：對金剛石色心進(jìn)行激發(fā)；對金剛石色心施加微波；NV色心受激輻射產(chǎn)生的熒光由光纖環(huán)形器輸出，經(jīng)過濾波片輸入光電探測器；上位機(jī)控制微波發(fā)生器進(jìn)行掃頻；光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，上位機(jī)處理微波掃頻信號和電信號。本發(fā)明可測量出微小空間內(nèi)待測樣品的磁場大小和溫度大小，具有空間分辨率高、集成度高、靈活強(qiáng)和可操控性高等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：王巖,王許,戴龍?zhí)?王燁,胡玉昊,王海燕,姜利英
受保護(hù)的技術(shù)使用者：鄭州輕工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30