微波磁场测量方法及微波磁场测量系统

1.本发明涉及磁场测量领域，特别涉及微波磁场测量方法及微波磁场测量系统。


背景技术：

2.弱磁场探测技术在物理和材料等领域有着重要意义。磁场测量的表现依赖于所使用的传感器的物理性质。在高频弱磁场测量的领域，量子传感器由于其优异的性质，可以实现准确、可靠的测量。基于超导量子干涉仪（squid）的传感器已经在弱磁场探测的领域有着广泛的应用。但是受限于这种传感器需要低温的条件才能使用，使得其在小型化、实用化的方向上难以推进。得益于稳定、便宜、小型化的激光技术的发展，基于原子的传感器能够媲美基于squid的传感器的表现。其中，基于金刚石中氮-空位色心的传感器在物理、化学、生物等领域得到了广泛的研究和应用。但是该类传感器在对高频的弱磁场的测量中，受到原理和方法的限制，其在测量频率范围和强度范围有限制。而对高频弱磁场的测量在电子顺磁共振（esr）和高场核磁共振（nmr）中有着重要意义。为此，需要发展一种高频弱磁场探测方法来提升传感器的灵敏度，扩大其应用场景。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种微波磁场测量方法及微波磁场测量系统，以期部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
4.为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种微波磁场测量方法，包括：向置于预设磁场中的磁场探针施加待测微波磁场信号，连续激光和具有预设功率的第一参考微波，使所述磁场探针发出第一荧光信号；获取所述第一荧光信号的时域信息，根据所述第一荧光信号的时域信息得到所述第一荧光信号的频域信息；对所述第一荧光信号的频域信息进行分析，根据分析结果，对所述第一参考微波的频率进行调整，直至所述第一荧光信号的频域信息中包括所述待测微波磁场信号；以包括所述待测微波磁场信号的所述第一荧光信号的频域信息作为目标频域信息，根据所述目标频域信息，得到所述待测微波磁场信息；其中，所述第一参考微波的微波光子能量等于在所述预设磁场下所述磁场探针的能级劈裂大小。
5.根据本发明的实施例，对所述第一荧光信号的频域信息进行分析，根据分析结果，对所述第一参考微波的频率进行调整，直至所述第一荧光信号的频域信息中包括所述待测微波磁场信号，包括：对所述频域信息进行分析，在所述频域信息中不包括所述待测微波磁场信号的情况下，更改所述第一参考微波的频率，直至所述频域信息中包括所述待测微波磁场信号。
6.根据本发明的实施例，根据所述第一荧光信号的时域信息得到所述第一荧光信号
的频域信息，包括：对所述第一荧光信号时域信息做傅里叶变换，得到所述第一荧光信号的频域信息。
7.根据本发明的实施例，根据所述目标频域信息，得到所述待测微波磁场信息，包括：根据所述目标频域信息中信号峰的频率和所述第一参考微波的频率得到所述待测微波磁场的频率信息；根据所述目标频域信息中信号峰的强度与所述第一参考微波的强度得到所述待测微波磁场的强度。
8.根据本发明的实施例，所述预设功率的确定方法包括：向处于所述预设磁场中的所述磁场探针施加标准磁场信号，所述连续激光和第二参考微波，使所述磁场探针发出第二荧光信号；获取所述第二荧光信号的时域信息，根据所述第二荧光信号的时域信息得到所述第二荧光信号的频域信息；根据所述第二荧光信号的频域信息得到所述标准磁场的信号强度，改变所述第二参考微波的功率，得到所述标准磁场信号的信号强度随所述第二参考微波的功率的变化曲线；在所述变化曲线中，选取所述标准磁场信号的信号强度最大时对应的所述第二参考微波的功率作为所述预设功率。
9.根据本发明的实施例，所述磁场探针包括金刚石nv色心、砷化镓量子点、砷化铟量子点；在所述磁场探针为金刚石nv色心的情况下，所述预设磁场的方向沿着所述金刚石nv色心的轴向。
10.根据本发明的实施例，在所述磁场探针为金刚石nv色心时，所述连续激光的波长为532nm。
11.根据本发明的实施例，还提供了一种微波磁场测量系统，用于实现如上所述的微波磁场的测量方法，包括：磁场探针，适用于在待测微波磁场信号，预设磁场、连续激光和具有预设功率的第一参考微波的作用下发出第一荧光信号；荧光信号处理单元，适用于获取所述第一荧光信号的时域信息，根据所述第一荧光信号的时域信息得到所述第一荧光信号的频域信息；以及对所述第一荧光信号的频域信息进行分析，得到所述待测微波磁场信息。
12.根据本发明的实施例，微波磁场测量系统还包括：激光器，适用于产生所述连续激光；微波线路，适用于产生具有预设功率的第一参考微波；微波辐射装置，适用于将所述具有预设功率的第一参考微波辐射到所述磁场探针上；静磁场发生装置，适用于提供所述预设磁场。
13.根据本发明的实施例，所述荧光信号处理单元包括：
荧光聚集装置，适用于聚集所述第一荧光信号；荧光读出装置，适用于将所述第一荧光信号转化为电信号，所述电信号为所述第一荧光信号的时域信息；荧光分析装置，适用于对所述第一荧光信号的时域信息进行分析。
14.根据本发明的实施例，向置于预设磁场中的磁场探针施加待测微波磁场信号，连续激光和具有预设功率的第一参考微波，使磁场探针发出第一荧光信号，通过对荧光信号进行处理，可以对频率为10兆赫兹（mhz）到百吉赫兹(ghz) 强度小于1微特斯拉的待测微波磁场实现高灵敏度的测量。
附图说明
15.图1示意性示出了根据本发明实施例提供的荧光信号强度降低的幅度与微波强度g的关系示意图；图2示意性示出了根据本发明实施例提供的连续激光和参考微波的脉冲序列的示意图；图3示意性示出了根据本发明实施例荧光信号强度大小与参考微波强度g的关系曲线示意图；图4示意性示出了根据本发明实施例提供的微波磁场的测量方法的流程图；图5示意性示出了根据本发明实施例提供的微波磁场测量系统的原理示意图；图6示意性示出了根据本发明实施例提供的对预设功率提取的曲线图；图7示意性示出了根据本发明实施例提供的第一荧光信号的时域信息示意图；以及图8示意性示出了根据本发明具体实施例提供的对第一荧光信号的时域信息做傅里叶变换获得的荧光信号的频域信息示意图。
16.附图标记1磁场探针；2荧光信号处理单元；21荧光聚集装置；22荧光读出装置；23荧光分析装置；3激光器；4待测微波磁场信号；5微波线路；6微波辐射装置；7静磁场发生装置。
具体实施方式
17.基于超导量子干涉仪（squid）的传感器，利用低温下约瑟夫森隧道结的约瑟夫森效应和磁通量子化现象，可以将外部弱磁场引起的磁通变化转化为最大超导电流的信号来测量。利用超导量子干涉仪进行磁场测量的方法可以用来测量微弱的磁信号，在材料、生物
医学中有广泛的应用。该项技术利用了约瑟夫森结的超导效应，在实现上需要使用低温的条件，给小型化实用化带来了很大的困难。另外，基于squid的传感器是一种测量磁场相对值的仪器，在使用的过程中需要校准。
18.另一种测量磁场的方法通过对nv色心施加微波生成的动力学解耦序列来提升测量灵敏度，该方法中采用了金刚石中系综nv色心进行测量，达到了亚皮特的测量灵敏度。但是该方法受限于可施加的微波功率大小，动力学解耦序列的长度不能无限短，使得这种测量方法在测量高频的（》 1 ghz）磁场时会失效。
19.在实现本发明的过程中发现，当对处于预设磁场中磁场探针施加连续激光时，通过荧光收集装置可以探测到由磁场探针产生的荧光，在这个基础上，再对磁场探针施加连续的、与磁场探针能级相匹配的参考微波（即该微波光子能量等于预设磁场下磁场探针的能级劈裂大小）时，磁场探针产生的荧光信号强度会发生下降，下降的幅度与微波的功率即微波强度的平方正相关，如图1所示。其中，施加的连续激光和参考微波的脉冲序列如图2所示。
20.因此，当空间中存在一个强度为g、频率为ω的待测微波磁场信号能够被磁场探针感受到时，再施加一个强度为g、频率为ω δ的另一微波，就能够得到一个振荡频率为δ、信号强度正比于g的荧光信号，荧光信号强度大小与另一微波的微波强度g的关系如图3所示。本技术实际测量中选取的微波功率为荧光信号强度最大处（即另一微波磁场信号强度最大处）g值对应的微波功率，通过对这个荧光信号进行频谱分析就可以得到待测微波磁场信号的频率和强度信息。
21.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
22.图4示意性示出了根据本发明实施例提供的微波磁场的测量方法的流程图。
23.如图4所示，磁场测量方法包括步骤s1-s4。
24.s1：向置于预设磁场中的磁场探针施加待测微波磁场信号，连续激光和具有预设功率的第一参考微波，使磁场探针发出第一荧光信号；s2：获取第一荧光信号的时域信息，根据第一荧光信号的时域信息得到第一荧光信号的频域信息；s3：对第一荧光信号的频域信息进行分析，根据分析结果，对第一参考微波的频率进行调整，直至第一荧光信号的频域信息中包括待测微波磁场信号；s4：以包括待测微波磁场信号的第一荧光信号的频域信息作为目标频域信息，根据目标频域信息，得到待测微波磁场信息。
25.其中，第一参考微波的微波光子能量等于在预设磁场下磁场探针的能级劈裂大小。
26.根据本发明的实施例，向置于预设磁场中的磁场探针施加待测微波磁场信号，连续激光和具有预设功率的第一参考微波，使磁场探针发出第一荧光信号，通过对荧光信号进行处理，可以对频率为10兆赫兹（mhz）到百吉赫兹(ghz) 强度小于1微特斯拉的高频弱微波磁场进行探测，实现了高灵敏度高频弱磁场的测量。
27.根据本发明的实施例，预设功率的确定方法包括：向处于预设磁场中的磁场探针施加标准磁场信号，连续激光和第二参考微波，使
磁场探针发出第二荧光信号；获取第二荧光信号的时域信息，根据第二荧光信号的时域信息得到第二荧光信号的频域信息；根据第二荧光信号的频域信息得到标准磁场的信号强度，改变第二参考微波的功率，得到标准磁场信号的信号强度随第二参考微波的功率的变化曲线；在变化曲线中，选取标准磁场信号的信号强度最大时对应的第二参考微波的功率作为预设功率。
28.根据本发明的实施例，对第一荧光信号的频域信息进行分析，根据分析结果，对第一参考微波的频率进行调整，直至第一荧光信号的频域信息中包括待测微波磁场信号，包括：对频域信息进行分析，在频域信息中不包括待测微波磁场信号的情况下，更改第一参考微波的频率，直至频域信息中包括待测微波磁场信号。若频域信息不包含待测微波磁场信号，频域信息会呈现仅有噪声本底的样式。
29.根据本发明的实施例，根据第一荧光信号的时域信息得到第一荧光信号的频域信息，包括：对第一荧光信号的时域信息做傅里叶变换，得到第一荧光信号的频域信息。
30.根据本发明的实施例，根据目标频域信息，得到待测微波磁场信息，包括：根据目标频域信息中信号峰的频率和第一参考微波的频率得到待测微波磁场的频率信息；根据目标频域信息中信号峰的强度与第一参考微波的强度得到待测微波磁场的强度。
31.根据本发明的实施例，磁场探针包括金刚石nv色心、砷化镓量子点、砷化铟量子点。
32.在磁场探针为金刚石nv色心的情况下，预设磁场的方向沿着nv色心的轴向，激光的波长为532nm。金刚石中的nv色心（氮-空位色心）是一种光学性质极好的缺陷，具有如下特性：在波长532nm的激光激发下，可以将nv色心极化到特定的量子态；处于不同量子态的nv色心能够发出不同强度的荧光。
33.根据本发明的实施例、利用分子缺陷（氮-空位色心）作为探针，避免了传统squid方法需要低温环境的限制，在室温大气的条件下即可实现对高频弱磁场的测量，为高频弱磁场探测装置小型化、实用化提供了可能，在电子顺磁共振、高场核磁共振等领域能够得到应用。
34.图5示意性示出了根据本发明实施例提供的微波磁场测量系统的原理示意图。
35.如图5所示，微波磁场测量装置，包括：磁场探针1和荧光信号处理单元2。
36.磁场探针1适用于在待测微波磁场信号4，连续激光和具有预设功率的第一参考微波的作用下发出第一荧光信号。荧光信号处理单元2适用于获取第一荧光信号的时域信息，根据第一荧光信号的时域信息得到第一荧光信号的频域信息；以及对第一荧光信号的频域信息进行分析，得到待测微波磁场信息。
37.根据本发明的实施例，上述微波磁场测量装置还包括：激光器3、微波线路5、微波辐射装置6、静磁场发生装置7。
38.激光器3适用于产生连续激光。微波线路5适用于产生具有预设功率的第一参考微波。微波辐射装置6适用于将具有预设功率的第一参考微波辐射到磁场探针1上。静磁场发生装置7适用于提供预设磁场。
39.根据本发明的实施例，荧光信号处理单元2包括：荧光聚集装置21、荧光读出装置22和荧光分析装置23。
40.荧光聚集装置21适用于聚集第一荧光信号。荧光读出装置22适用于将第一荧光信号转化为电信号，电信号为第一荧光信号的时域信息。荧光分析装置23适用于对第一荧光信号的时域信息进行分析。
41.根据本发明提供的一个具体的实施例，以金刚石nv色心作为磁场探针1对待测微波磁场进行测量，步骤如下：步骤1：金刚石nv色心探针制备。
42.步骤2：微波磁场测量系统组装。将金刚石nv色心探针、荧光聚集模块21和荧光读出模块22连接在一起，使得金刚石nv探针产生的荧光可以被高效的收集并转化为电信号；连接微波辐射装置6与微波线路5，调节微波辐射装置6的位置，使得微波辐射装置6产生的微波（即第二参考微波）能够准确的施加在金刚石nv色心探针上；调节静磁场发生装置7，使其产生的预设磁场（静磁场）处于合适的大小和方向。预设磁场的大小可以由高斯计测量得到。预设磁场的方向垂直于金刚石表面、大小为12.5gauss；调节激光器3的位置，使激光垂直于金刚石nv色心探针表面入射，激光功率设置为0.6w。
43.步骤3：最优参考微波功率（即预设功率）选取和强度定标。同时施加激光、第二参考微波和一个强度频率已知的标准磁场，当第二参考微波和标准磁场存在频率差时，金刚石nv色心探针产生的第二荧光信号会被调制，通过傅里叶变换，可以得到第二荧光信号对应的频域信息，频域信息上对应于频率差的位置即为标准磁场的对应的信号强度。如图6所示，改变第二参考微波强度重复进行上述步骤，可以得到不同第二参考微波强度（微波功率正比于微波强度的平方）下的第二荧光信号的强度，选取第二荧光信号强度最大时的第二参考微波强度对应的功率为预设功率（图6中箭头位置），第二荧光信号强度最大值与标准磁场强度大小的比值为单位磁场强度对应的信号强度。
44.步骤4：待测微波磁场信号4测量。将待测微波磁场信号4由微波辐射装置6施加在金刚石nv色心探针上，对探针连续施加激光和具有预设功率的第一参考微波，持续记录测量得到的第一荧光信号（如图7）。
45.步骤5：对步骤4中得到的第一荧光信号的时域信息（如图8所示）做傅里叶变换可以获得其频域信息。
46.步骤6：分析频域信息，判断是否测量到待测微波磁场信号4。若无待测微波磁场信号4，改变第一参考微波的微波频率，直至第一荧光信号的频域信息中包括待测微波磁场信号4；若有信号，读取频域上待测微波磁场信号4的频率位置与强度大小。本实例中测量到信号如图8中箭头位置所示。
47.步骤7：得到实际待测微波磁场信号4的信息。待测微波磁场信号4的频率为频域上信号的频率与参考微波频率之和，待测微波磁场信号4的强度为频域上信号的强度与单位磁场强度对应的信号强度之比。
48.本发明使用施加参考微波的方法实现了高灵敏度测量高频弱磁场。无需使用复杂
的脉冲操作，拓展了利用晶体中的分子缺陷进行高频弱磁场探测的频率范围和强度范围；利用系综nv色心作为探针，大大提高了探针的数目，提升了高频弱磁场探测的测量速度。
49.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。