一种基于NV色心的磁场探测装置、系统和方法与流程

本申请涉及量子精密测量，特别是涉及一种基于nv色心的磁场探测装置、系统和方法。

背景技术：

1、磁场探测装置，又称磁强计，其可以感知地球磁场、人造磁场以及磁性物体产生的磁场，并将磁场信号转化为电压或电流输出，以实现对磁场的测量。目前，基于金刚石晶体中nv（nitrogen-vacancy，氮-空位）色心的磁场探测装置因其高灵敏度、高空间分辨率和室温工作能力而备受关注。

2、然而，在实际应用过程中，照射nv色心的激光的功率波动会直接转化为荧光强度的波动，从而淹没微弱的磁场信号，且前端光电转换电路的电路噪声会引入干扰，而传统的探测结构难以区分噪声信号和真实的磁场信号，降噪效果有限，磁场探测性能有待提升。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种可有效去除噪声信号的基于nv色心的磁场探测装置、系统和方法。

2、第一方面，本申请提供了一种基于nv色心的磁场探测装置，包括：

3、金刚石nv色心传感单元，所述金刚石nv色心传感单元包括nv色心；

4、激光激发模块，用于产生激发激光，并使所述激发激光射入所述金刚石nv色心传感单元，以激发所述nv色心；

5、微波激励模块，用于产生微波磁场，并将所述微波磁场施加至所述nv色心；

6、信号探测支路，用于接收所述nv色心受激后产生的荧光信号，并将所述荧光信号转换为检测电信号；

7、参考探测支路，用于接收所述激发激光透射至所述金刚石nv色心传感单元外的透射激光信号，并将所述透射激光信号转换为参考电信号；

8、信号处理模块，用于分别接收所述检测电信号和所述参考电信号，并根据所述检测电信号和所述参考电信号计算得到所述参考电信号表征的噪声信号，再从所述检测电信号中剔除所述噪声信号，得到所述磁场探测装置所处的待测磁场的磁场信号。

9、在其中一个实施例中，所述信号探测支路包括：

10、荧光滤光片，用于截止所述激发激光，还用于透过所述荧光信号，以输出所述nv色心受激产生的荧光信号；

11、信号光电探测器，用于将所述荧光信号转换为检测电信号。

12、在其中一个实施例中，所述参考探测支路包括：

13、激光滤光片，与所述激光激发模块相对设置，且所述金刚石nv色心传感单元设置在所述激光滤光片和所述激光激发模块之间，所述金刚石nv色心传感单元和所述激光滤光片均位于所述激光激发模块的光路延伸方向；所述激光滤光片，用于截止所述荧光信号，还用于透过所述激发激光透射至所述金刚石nv色心传感单元外的透射激光信号，以输出所述透射激光信号；

14、参考光电探测器，用于将所述透射激光信号转换为参考电信号。

15、在其中一个实施例中，所述信号处理模块，包括：

16、检测信号放大单元，用于将所述检测电信号进行放大处理，得到放大后检测电信号；

17、参考信号放大单元，用于将所述参考电信号进行放大处理，得到放大后参考电信号；

18、主控单元，用于根据所述放大后检测电信号和所述放大后参考电信号计算得到所述参考电信号表征的噪声信号，再从所述检测电信号中剔除所述噪声信号，得到所述磁场探测装置所处的待测磁场的磁场信号；

19、其中，所述检测信号放大单元和所述参考信号放大单元的结构相同。

20、在其中一个实施例中，所述微波激励模块产生的微波磁场的发射方向与所述金刚石nv色心传感单元的指定晶轴方向垂直设置，所述待测磁场的磁场方向与所述金刚石nv色心传感单元的指定晶轴方向平行设置。

21、在其中一个实施例中，所述激光激发模块产生的所述激发激光沿水平方向发射，并由所述金刚石nv色心传感单元的侧向射入所述金刚石nv色心传感单元；对应地，所述信号探测支路的进光端设置在所述金刚石nv色心传感单元的任一端面，且所述信号探测支路的进光方向与所述激光激发模块的出光方向垂直设置。

22、在其中一个实施例中，所述微波激励模块设置在所述金刚石nv色心传感单元的另一端面，且所述微波激励模块与信号探测支路的进光端相对设置。

23、第二方面，本申请提供了一种基于nv色心的磁场探测系统，包括集成有上述任一项所述的磁场探测装置的探头。

24、第三方面，本申请提供了一种基于nv色心的磁场探测方法，包括：

25、驱动激光激发模块产生激发激光，并使所述激发激光射入金刚石nv色心传感单元，以激发所述金刚石nv色心传感单元中的nv色心；

26、驱动微波激励模块产生微波磁场，并将所述微波磁场施加至所述nv色心；

27、基于信号探测支路接收所述nv色心受激后产生的荧光信号，并通过所述信号探测支路将所述荧光信号转换为检测电信号；

28、基于参考探测支路接收所述激发激光透射至所述金刚石nv色心传感单元外的透射激光信号，并通过所述参考探测支路将所述透射激光信号转换为参考电信号；

29、分别接收所述检测电信号和所述参考电信号，并根据所述检测电信号和所述参考电信号计算得到所述参考电信号表征的噪声信号，再从所述检测电信号中剔除所述噪声信号，得到当前所处的待测磁场的磁场信号。

30、在其中一个实施例中，根据所述检测电信号和所述参考电信号计算得到所述参考电信号表征的噪声信号，包括：

31、计算所述检测电信号和所述参考电信号之间的互相关函数；

32、根据所述互相关函数和所述参考电信号，得到所述参考电信号表征的噪声信号。

33、上述基于nv色心的磁场探测装置、系统和方法，基于信号探测支路和参考探测支路构建了双路协同的光探测结构，通过信号探测支路采集携带磁场信号和激光强度噪声的荧光检测信号，同时通过参考探测支路实时采集表征激光强度噪声的透射激光信号，再由信号处理模块对信号探测支路和参考探测支路输出电信号进行处理，实现噪声信号的精准识别与剔除，基于此，本发明突破了传统的单路探测结构无法区分噪声信号与真实磁场信号的技术瓶颈，不仅能够有效抑制激光功率波动引入的激光强度噪声，还可同步抑制电路共模噪声，大幅降低磁场探测的底噪，由此显著提升微弱磁场信号的探测信噪比与测量准确性。

1.一种基于nv色心的磁场探测装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的磁场探测装置，其特征在于，所述信号探测支路包括：

3.根据权利要求1所述的磁场探测装置，其特征在于，所述参考探测支路包括：

4.根据权利要求1所述的磁场探测装置，其特征在于，所述信号处理模块，包括：

5.根据权利要求1所述的磁场探测装置，其特征在于，所述微波激励模块（103）产生的微波磁场的发射方向与所述金刚石nv色心传感单元（101）的指定晶轴方向垂直设置，所述待测磁场的磁场方向与所述金刚石nv色心传感单元（101）的指定晶轴方向平行设置。

6.根据权利要求1所述的磁场探测装置，其特征在于，所述激光激发模块（102）产生的所述激发激光沿水平方向发射，并由所述金刚石nv色心传感单元（101）的侧向射入所述金刚石nv色心传感单元（101）；对应地，所述信号探测支路的进光端设置在所述金刚石nv色心传感单元（101）的任一端面，且所述信号探测支路的进光方向与所述激光激发模块（102）的出光方向垂直设置。

7.根据权利要求6所述的磁场探测装置，其特征在于，所述微波激励模块（103）设置在所述金刚石nv色心传感单元（101）的另一端面，且所述微波激励模块（103）与信号探测支路的进光端相对设置。

8.一种基于nv色心的磁场探测系统，其特征在于，包括集成有如权利要求1-7任一项所述的磁场探测装置的探头。

9.一种基于nv色心的磁场探测方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的磁场探测方法，其特征在于，根据所述检测电信号和所述参考电信号计算得到所述参考电信号表征的噪声信号，包括：