基于金刚石量子传感的扫描磁探测显微镜

1.本发明涉及磁探测显微领域，具体涉及一种基于金刚石量子传感的真空扫描磁探测显微镜。


背景技术：

2.nv色心(nitrogen-vacancy center，金刚石的氮空位缺陷中心)是金刚石中的一种氮空位顺磁缺陷中心，因其具有独特的光学性质且稳定性好相干时间长，可用激光和微波对其进行操控，在量子精密测量、量子信息处理等相关领域倍受关注，经过十多年的深入研究，基于金刚石nv色心的弱磁探测技术快速发展，已经成为兼具高灵敏度和高空间分辨率的磁量子传感器，在磁探测领域具有独特的优势和极大的发展潜力。
3.与此同时，基于金刚石nv色心的扫描磁探测显微镜设备也在快速发展，其结构大致可分为光探测磁共振(即optically detected magnetic resonance，简称odmr)和扫描成像两部分。其中odmr部分主要是对nv色心进行光学操控和采集荧光信号；其扫描成像部分，主要用来进行对样品扫描和磁成像，包括对样品的共聚焦扫描成像。扫描成像的核心部分主要包括金刚石nv色心探针、样品台、nv激发与收集系统、磁场调节装置、微波装置五个部分，它们各自都需要一定的自由度，现有的设计通常是将各种位移台、调平台和扫描台进行组合，从而实现扫描成像。然而这种设计通常体积大，空间利用率低使得设计不够紧凑，结构较为复杂。同时，扫描成像的几个部分各自相对独立，整体设计刚性较差，从而导致稳定性相对较差，对所处环境要求较高，需要对其进行很好的隔振降噪措施，才能保证其稳定工作。
4.另外，现有基于nv色心的扫描磁探测显微镜设备通常处于室温大气环境下，直接对某些样品进行磁探测，因而要求样品须在室温大气环境中可以稳定存在，这就限制了其样品的测试范围。而往往很多样品在大气环境中易氧化无法稳定存在或易受到污染，导致无法对这类样品进行探测。室温环境一般会有较大的热漂移。同时，对一些发生在低温下的某些过程或现象也无法进行探测，无法进行变温实验。也有一些低温设备，其扫描成像部分同样也采用了定位台(positioner)和扫描台(scanner)的组合堆栈模式，低温下实现的扫描范围为10μm左右，扫描精度为纳米量级；通常湿式采用约1米长的插杆方式。扫描成像部分，定位台和扫描台的组合模式会使得整体的刚性较差，位移台本身的载重很小仅50g，且在实验过程中由于侧向力作用，容易卡死；长插杆导致光学收集效率低、稳定性差且调节难度大。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于金刚石量子传感的真空扫描磁探测显微镜，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
6.为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于金刚石量子传感的真空扫描磁探测显微镜，包括：
7.工作台；
8.主腔体，设置在工作台上，包括真空腔和杜瓦腔，主腔体的顶端设有通光口；
9.镜体悬吊组件，悬吊在真空腔顶部；
10.扫描成像镜体单元，包括：
11.电子学基座，放置在镜体悬吊组件上；
12.三维双精度调节组件，包括第一三维调节马达、第二三维调节马达、第三三维调节马达和第四三维调节马达；第四三维调节马达设置在电子学基座上；第一三维调节马达固定在第四三维调节马达的顶端，处于扫描镜体的正中心；第二三维调节马达和第三三维调节马达分别设置在镜体悬吊组件相邻的两个侧壁上，第二三维调节马达顶端设有磁铁，第三三维调节马达顶端设有微波线圈；
13.样品座，设置在第一三维调节马达顶部，样品放置在样品座上；
14.探针，连接在调平装置的前端，位于样品座正上方；
15.物镜，位于探针的上方；
16.nv激发收集光路单元，包括激发光路和荧光收集光路；激发光路包括光纤耦合器、第一反光镜和双色镜，激光通过光纤耦合器、第一反光镜、双色镜后通过通光口进入物镜聚焦于金刚石探针以激发nv色心，激发nv色心后产生的荧光则反向分别由物镜到反光镜再通过双色镜，到达荧光收集光路中的单光子探测器被收集。
17.基于上述技术方案可知，本发明的基于金刚石量子传感的真空扫描磁探测显微镜相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：
18.1、本发明基于金刚石量子传感的宽温区高真空扫描磁探测显微镜，将金刚石氮空位色心测磁技术与afm(原子力显微镜)系统高度集成化，将扫描镜体的结构简化，本着紧凑型的设计原则，扫描镜体内部尽量少的占用空间，同时也尽量使其内部空间利用率达到极致，这样就使得扫描镜体刚性足够好，从而获得了一个具有高稳定性的设计，从而也降低了调节的难度，并提高了集成度；
19.2、本发明设计了结构简单稳定性强的afm系统，将其与金刚石nv色心磁探测技术相结合，置于高真空腔体内，亦可通过低温杜瓦对样品进行降温，实现了高灵敏度高空间分辨率的扫描磁探测显微技术；
20.3、本发明运用了一种新型三维双精度压电马达实现了对afm系统和磁场及微波线圈系统的集成化，将同一种压电马达应用于各个部分的自由移动，实现了扫描镜体结构的小而刚设计以及程序控制的简单化；
21.4、扫描镜体可整体取出，可在腔体外进行样品和探针的更换，并在腔外对其进行调试，调试好后再装回腔内进行正式的实验，这样就使得操作更加方便、可靠和高效；
22.5、将扫描镜体置于真空腔体内，使得样品更加干净，从而可避免样品受到外界污染而影响测试效果，也可测试一些结构敏感的样品；此外，还可用来做一些低温或变温实验。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例提供的真空扫描磁探测显微镜的原理示意图；
25.图2为本发明实施例提供的真空扫描磁探测显微镜的立体结构示意图；
26.图3为本发明实施例提供的真空扫描磁探测显微镜的俯视方向结构示意图；
27.图4为本发明实施例提供的真空扫描磁探测显微镜的左视方向结构示意图；
28.图5为本发明实施例提供的真空扫描磁探测显微镜的去掉右侧板后的结构示意图；
29.图6为本发明实施例提供的上层光路示意图；
30.图7为本发明实施例提供的荧光收集光路示意图；
31.图8为本发明实施例提供的镜体立体结构示意图；
32.图9为图8的局部放大图；
33.图10为本发明实施例提供的镜体结构主视方向结构示意图；
34.图11为本发明实施例提供的镜体结构右后方结构示意视图；
35.图12为本发明实施例提供的第一三维双精度压电马达结构示意图；
36.图13为本发明实施例提供的第四三维双精度压电马达结构示意图。
37.附图标记说明：
38.1.主腔体，2.nv激发收集光路单元，3.气浮隔振台，4.分子泵组，5.扫描成像镜体单元；
39.1-1.杜瓦入口，1-2.通光法兰，1-3.低温腔操作法兰，1-4.主腔门，1-5.预留法兰，1-6.低温腔泵口，1-7.观察窗，1-8.冷头开关控制法兰，1-9.铜辫子操作法兰，1-10.低温杜瓦，1-11.冷头开关，1-12.低温冷头，1-13.主真空腔泵口，1-14.镜体悬吊组件；
40.2-1.光纤耦合器，2-2.第一分束镜，2-3.第一反光镜，2-4.第二分束镜，2-5.双色镜，2-6.光功率计，2-7.led光源，2-8.第三分束镜，2-9.第二反光镜，2-10.第三反光镜，2-11.透镜，2-12.ccd相机，2-13.第一消色差透镜、2-14.针孔、2-15.第二消色差透镜、2-16.滤波片、2-17.第三消色差透镜、2-18.单光子探测器；2-19.第一平面镜、2-20.第二平面镜；2-21.第四反光镜；
41.5-1.电子学接线盒，5-2.电子学基座，5-3.第四三维双精度压电马达，5-41.第一三维双精度压电马达，5-42.第二三维双精度压电马达，5-43.第三三维双精度压电马达，5-5.铰链装置，5-6.物镜，5-7.支撑架，5-8.物镜转接件，5-10.磁铁，5-11.环形微波线圈，5-12.样品座，5-13.探针；
42.5-4-1.第一三维双精度压电马达z向马达，5-4-2.第一三维双精度压电马达xy向马达，5-3-1.第四三维双精度压电马达z向马达。
具体实施方式
43.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。
44.本发明公开了一种基于金刚石量子传感的真空扫描磁探测显微镜，包括：
45.工作台；
46.主腔体，设置在工作台上，包括真空腔和杜瓦腔，主腔体的顶端设有通光口；
47.镜体悬吊组件，悬吊在真空腔顶部；
48.扫描成像镜体单元，包括：
49.电子学基座，放置在镜体悬吊组件上；
50.三维双精度调节组件，包括第一三维调节马达、第二三维调节马达、第三三维调节马达和第四三维调节马达；第四三维调节马达设置在电子学基座上；第一三维调节马达固定在第四三维调节马达的顶端，处于扫描镜体的正中心；第二三维调节马达和第三三维调节马达分别设置在镜体悬吊组件相邻的两个侧壁上，第二三维调节马达顶端设有磁铁，第三三维调节马达顶端设有微波线圈；
51.样品座，设置在第一三维调节马达顶部，样品放置在样品座上；
52.探针，连接在调平装置的前端，位于样品座正上方；
53.物镜，位于探针的上方；
54.nv激发收集光路单元，包括激发光路和荧光收集光路；激发光路包括光纤耦合器、第一反光镜和双色镜，激光通过光纤耦合器、第一反光镜、双色镜后通过通光口进入物镜聚焦于金刚石探针以激发nv色心，激发nv色心后产生的荧光则反向分别由物镜到反光镜再通过双色镜，到达荧光收集光路中的单光子探测器被收集。
55.在本发明的一些实施例中，所述扫描成像镜体还包括支撑架和物镜转接件；物镜转接件设置在支撑架顶部；
56.在本发明的一些实施例中，所述物镜通过物镜转接件固定，位于探针的上方。
57.在本发明的一些实施例中，所述支撑架包括四根支撑杆，所述支撑杆为二接头支撑杆，长度可调节。
58.在本发明的一些实施例中，所述镜体悬吊组件与腔体固连，将扫描镜体悬吊在真空腔内部。
59.在本发明的一些实施例中，所述杜瓦腔内设有杜瓦，杜瓦与样品台连接；
60.在本发明的一些实施例中，所述杜瓦腔内设有冷头开关，真空腔内设有低温冷头，冷头开关两端分别与低温冷头和杜瓦连接；低温冷头另一端和铜辫子连接，所述铜辫子另一端与样品台连接。
61.在本发明的一些实施例中，所述真空扫描磁探测显微镜还包括真空单元，真空单元与真空腔和杜瓦腔分别连接；
62.在本发明的一些实施例中，所述真空单元包括分子泵组，分子泵组设置在工作台下方。
63.在本发明的一些实施例中，所述扫描成像镜体单元还包括两个调节组件和铰链，铰链分别与两个调节组件的顶部连接，铰链前端连接有探针，通过调节组件调节探针的角度；
64.在本发明的一些实施例中，所述调节组件包括z向马达；所述调节组件设置第一三维调节马达上。
65.在本发明的一些实施例中，所述nv激发收集光路单元还包括ccd光路。
66.在本发明的一些实施例中，所述主腔体上设有主腔门；主腔门上设有观察窗；
67.在本发明的一些实施例中，所述主腔体上还设有预留法兰。
68.在本发明的一些实施例中，所述工作台包括气浮隔振台或主动隔振台。
69.在一个示例性实施例中，本发明公开了一种基于金刚石nv色心的宽温区(70k-30℃)高真空(1
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mbar)扫描磁探测显微镜装置，包括nv激发收集光路单元、主腔体、微波单元及扫描成像镜体单元等几个部分。主腔体包括真空腔和低温腔(即杜瓦腔)，整个主腔体为一个弧形的腔体结构，固定在定制的气浮减震平台上，同时搭载nv激发收集光路单元位于主腔体一侧，由激光器发射出的激光经过双色镜反射后聚焦于金刚石探针以激发nv色心，产生的荧光透过双色镜，通过针孔后到达单光子计数器被收集。nv激发收集光路单元置于腔体外侧通过双色镜、反光镜及扫描镜体上的物镜将激光聚焦到金刚石探针上，用以激发nv色心并收集其产生的荧光；微波单元用于对nv色心进行操控；其核心扫描成像部分为分层化一体式设计的紧凑型高稳定性扫描镜体，即是将扫描成像的各个部分做成一体，镜体内部分成两层，这样刚性好稳定性强，并且可以对其整体进行调试、安装和取出，操作更加方便；
70.所述nv激发收集光路单元主要包括激光器、激光光纤、光纤耦合器、透镜、发光二极管、ccd相机、双色镜、物镜、滤波片、空间滤波单元及单光子探测器等部件。整个光路系统分为两层，上层为前端光路(即激发光路)和ccd光路，下层为后端光路(即荧光收集光路)。前端光路中，激光器发出的激光由激光光纤传入光纤耦合器，再通过第一分束镜，第一分束镜将光分成两路，一路传入光功率计，一路经过第一反光镜和第二分束镜后传入安装在二层光路支撑架上方的转换头，双色镜成45
°
角倾斜安装在转换头内部，透过双色镜后经过第四反光镜竖直向下传入扫描成像镜体单元上的物镜。激发nv色心后产生的荧光则反向分别由物镜到反光镜再通过双色镜，垂直向下到达腔体外的一层光路，通过一层光路的第一第二平面镜后，穿过第一消色差透镜到达针孔再经过第一消色差透镜、滤光片以及第三消色差透镜，最终到达单光子探测器，从而被单光子探测器收集。所述发光二极管用于ccd成像，不参与nv色心激发与荧光收集功能。
71.所述微波单元包括波源、微波开关(pin)、环形微波线圈。由波源产生微波，波源开关在时序发生器的控制下产生制定序列，并通过环形微波线圈发射，共振驱动nv，用于对nv色心进行量子调控。
72.所述主腔体包括真空腔和低温腔。其中，真空腔可用泵组抽至高真空环境，腔体上分布有多种法兰口，可用于观察窗、真空规、泵口、通光口等。所述扫描成像镜体单元放置于主真空腔内，通过支撑架与腔体固连。腔体上有一个前门，打开前门即可在腔内进行一些操作，如扫描镜体的调试与安装等。
73.所述主腔体内的低温腔，低温杜瓦位于低温腔内，低温腔体上有两个法兰口，分别是泵口和冷头开关操作口。冷头开关操作口用于控制低温冷头的开断。泵口接泵组，用于将低温腔抽至真空，给杜瓦提供一个真空环境，用来减小液氮(or液氦)的热耗散。
74.所述真空腔与低温腔通过一个隔板隔开，当需要在真空腔体内进行破空操作时，这样并不影响低温腔的真空环境，从而起到保护液氮(or液氦)的作用，减少其由于环境变化导致的耗损。
75.其中，由泵组和真空腔体组成真空单元，用于给整个镜体部分提供一个高真空环境；低温杜瓦位于主腔体内的低温腔体中，低温杜瓦盛放液氮(or液氦)用于给样品降温；
76.扫描成像镜体单元设计为分层化一体式结构，其中各部分的位移装置都使用了同
一种新型三维双精度压电马达。扫描镜体悬吊于真空腔体内，通过低温腔体内的低温杜瓦可将样品温度降低至液氦温度，并可通过温控装置进行控温，从而实现了能够在室温至液氦温度的宽温区及高真空环境下进行金刚石nv色心扫描成像实验。
77.所述扫描成像镜体单元设计，主要包括金刚石探针调平装置、样品台、物镜支撑装置、磁场调节组件和微波线圈组件。各部分的自由移动主要使用了一种三维双精度压电马达(即三维调节马达)，这种马达主要由大行程xy马达以及z向的多区驱动的惯性压电马达(后文简称为z向马达)设计而成，z向马达可进行z方向移动以及xyz三维细扫描，在xy马达的正中心用环氧树脂粘接一个方形的蓝宝石基座，然后将z向马达的底端用环氧树脂粘接在蓝宝石基座上，即可可同时实现xyz三维粗逼近和xyz三维细扫描纳米级精度的调节。另外，利用两个z向马达和铰链装置设计了一种角度调节装置，将这两个z向马达的顶端分别用m6螺丝固定一块长方形挡板，两块挡板成九十度方向分别固定在铰链装置的两侧，可实现对固定在铰链装置前端的探针的角度调节，称之为调平台。整体为分层化一体式的结构设计。
78.所述扫描成像镜体单元，本发明本实施例使用了四组所述三维双精度压电马达，这四组分别在行程和自身尺寸上略有不同，分别用于实现不同的功能。其中第四三维双精度压电马达(即第四三维调节马达)的z向马达较其他几组更为粗壮，直径大2到3mm，因而承重更大，如图13所示，将其置于分层化设计中的第一层，可用于支撑二层的样品及探针装置整体，通过z向马达支撑二层整体。位于二层的第一三维双精度压电马达(即第一三维调节马达)，其z向马达顶端放置样品座，其xy马达的框架较一层尺寸更大一些，用于放置金刚石nv探针调平装置。剩下的第二三维双精度压电马达(即第二三维调节马达)和第三三维双精度压电马达(即第三三维调节马达)，其尺寸和行程大致相当，分别固定在左侧壁和后壁上，第二三维双精度压电马达和第三三维双精度压电马达结构如图12所示。扫描镜体各个部分的自由度这里都使用了同一种由新型xy马达和z向马达组合的三维双精度马达作为主要定位装置和扫描装置，避免了结构和程序控制的复杂性，并且整体设计紧凑，刚性好稳定性强。
79.所述扫描成像镜体单元，其分层化一体式设计中的第三层是指由几根支撑架支撑起来的物镜，位于镜体的上部，支撑架从基座上撑起，上端固定转接装置，物镜通过转接装置固定在镜体正中心。
80.所述的扫描成像镜体单元通过支撑架与腔体固连。所述的支撑柱为二接头形式，上半部分可以拧下更换不同长度的柱子，下半部分为中空的设计，主要用于走线。
81.所述磁场调节组件，本发明本实施例设计了一种磁铁组，将四块小立方体钕铁硼磁铁组合在一起，将其固定在后壁上的三维双精度压电马达的z向马达前端。
82.所述微波线圈组件，本实施例设计了一款pcb板，使用引线机在pcb板两极上键合铜丝，作为微波发射天线，并将pcb板固定在左侧壁上的三维双精度马达的z向马达前端。
83.所述探针调平装置即调平台，位于二层三维双精度马达底座xy马达框架的右侧，调平台的前端即为焊有音叉的pcb板，以此来进行角度调节。
84.以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
85.请参阅图1-13，本实施例提供了一种基于金刚石量子传感的宽温区高真空扫描磁
探测显微镜，该装置包括：主腔体1、nv激发收集光路单元2、气浮隔震台3、分子泵组4和扫描成像镜体单元5。所述主腔体1和nv激发收集光路单元2放置于气浮隔振台3上，nv激发收集光路单元2在主腔体1的左侧，分子泵组4通过特别定制的气浮隔震平台3中间圆孔与主腔体1的真空腔泵口1-13相连，扫描成像镜体单元5悬吊于主腔体1内。
86.上述主腔体1部分，包括真空腔和低温腔(即杜瓦腔)，主腔体1主要包括杜瓦入口1-1，用于给低温腔内的杜瓦灌液氮或者液氦；通光法兰1-2，用于将腔外的光路引入真空腔内；低温腔操作法兰1-3，设置在主腔体1顶部；主腔门1-4，打开主腔门1-4即可在真空腔体内进行任何所需的操作；预留法兰1-5设置在主腔体1侧壁上，用于后期可能需要的实验需求；低温腔泵口1-6连接分子泵组4抽真空，减小液氮(or液氦)的热耗散；观察窗1-7，分别设置在主腔门1-4和主腔体1右侧壁上，主要用于观察真空腔体内扫描成像镜体单元5的实时状况；铜辫子操作法兰1-9，设置在主腔体1侧壁上，用于在腔外调整铜辫子的位置及固定铜辫子；低温杜瓦1-10处于低温腔体内，整体为一个弧形的方腔结构，用于存储液氮(or液氦)；冷头开关1-11，用于控制低温冷头1-12的开断；冷头开关控制法兰1-8，设置在主腔体1右侧壁上，与冷头开关1-11连接；低温冷头1-12，位于真空腔体底部，低温冷头1-12一端通过铜辫子接在样品座5-12上，低温冷头1-12另一端连接上述冷头开关1-11，位于低温腔体下部，当不需要给样品降温时即可断开。冷头开关1-11一端连接杜瓦一端连接低温冷头1-12，用于给样品降温；真空腔泵口1-13，其下端连接分子泵组4，用于给真空腔抽高真空；镜体悬吊组件1-14，将扫描成像镜体单元5悬吊于真空腔内。
87.上述nv激发收集光路单元2，如图6-7所示，光路分为上下两层，上层为前端光路和ccd光路，上层光路器件设置在支撑台上。前端光路包括光纤耦合器2-1、第一分束镜2-2、第一反光镜2-3、第二分束镜2-4、双色镜2-5和光功率计2-6，用于激发nv色心。ccd光路用于ccd成像，包括led光源2-7、第三分束镜2-8、第二反光镜2-9、第三反光镜2-10、透镜2-11和ccd相机2-12；激光器发出的激光由激光光纤传入光纤耦合器2-1，再通过第一分束镜2-2，第一分束镜2-2将光分成两路，一路传入光功率计2-6，一路经过第一反光镜2-3和第二分束镜2-4后传入安装在二层光路支撑架上方的转换头，双色镜2-5成45
°
角倾斜安装在转换头内部，透过双色镜2-5后经过第四反光镜2-21竖直向下传入扫描成像镜体单元上的物镜。下层为荧光收集光路，如图7所示，包括第一消色差透镜2-13、针孔2-14、第二消色差透镜2-15、滤波片2-16、第三消色差透镜2-17、单光子探测器2-18、第一平面镜2-19、第二平面镜2-20；激发nv色心后产生的荧光则反向分别由物镜5-6到第四反光镜2-21再通过双色镜2-5，垂直向下到达腔体外的下层光路，经过第一平面镜2-19、第二平面镜2-20的反射后依次通过第一消色差透镜2-13、针孔2-14、第二消色差透镜2-15、滤波片2-16后被单光子探测器2-18收集。发光二极管用于ccd成像，不参与nv色心激发与荧光收集功能。如图1所示，微波单元由波源产生微波，开关在时序发生器色控制下产生指定序列，通过固定在右侧壁的z向马达前端的环形微波线圈5-11发射，驱动nv色心，激发nv色心后产生的荧光，最终到达单光子探测器2-18，从而被单光子探测器2-18收集。
88.上述主腔体1上有一个主腔门1-4，打开主腔门1-4即可安装和调试镜体，关闭主腔门1-4后使用分子泵组4即可抽真空。主腔体1内部有一个用隔板隔开的低温腔体，当需要在主腔体1内进行破真空操作时，这样并不影响低温腔的真空环境，从而可以保护液氮(or液氦)，减少液氮(or液氦)的消耗。
89.上述扫描成像镜体单元5包括：电子学基座5-2；电子学接线盒5-1，设置在电子学基座5-2前端，提供电子学接口，用于各个部分的线路连接；三维双精度压电马达可同时实现xyz三维粗逼近和xyz三维细扫描。有两种型号的三维双精度压电马达。如图12所示，为第一三维双精度压电马达5-41，其z向马达5-4-1直径较小，第一三维双精度压电马达5-41位于第四三维双精度压电马达z向马达5-3-1的顶端，第一三维双精度压电马达z向马达5-41的顶端为样品座5-12，第二三维双精度压电马达5-42和第三三维双精度压电马达5-43分别固定在后壁5-4和右侧壁5-13上，其各自z向马达前端分别固定磁铁5-10和环形微波线圈5-11。第四三维双精度压电马达5-3结构如图13所示，第四三维双精度压电马达z向马达5-3-1的直径大更为粗壮，第四三维双精度压电马达5-3固定于底层电子学基座5-2上。铰链组件5-5和两根z向马达5-3-1，组合为角度调节装置，作为调平台，主要用于探针5-13的调平，可实现0-7度的角度调节。四根支撑杆5-7用于支撑最上方的物镜转接件5-8，物镜转接件5-8用于固定物镜5-6。支撑杆5-7为二接头，上半部分可使用不同长度的柱子，从而可适用不同型号的物镜5-8，其下半部分为中空设计可用于走线路。
90.上述扫描成像镜体单元5中的一层的第四三维双精度压电马达5-3，可对探针5-13和样品整体进行xyz三维移动和xyz三维细扫描，主要用于对金刚石探针的定位，以及对探针5-13的共聚焦扫描成像。二层的三维双精度马达用于对样品的定位及三维细扫描。扫描成像镜体单元5结构上部为物镜5-6，在金刚石探针5-13和样品放置好后，将物镜5-6固定于物镜转接件5-8中心，然后安装在正中心的上方。物镜5-6将在之后整个实验过程中固定不动。
91.本发明工作时，扫描成像镜体单元5置于真空腔内。首先利用扫描成像镜体单元5一层的第四三维双精度压电马达5-3金刚石nv色心探针进行定位，使金刚石探针位于物镜5-6的焦平面上，然后分别使用第二三维双精度压电马达5-42和第三三维双精度压电马达5-43，将磁体和环形微波线圈靠近金刚石探针，对探针施加磁场和微波，之后再利用一层第四三维双精度压电马达z向马达5-3-1的三维扫描功能，对金刚石探针进行共聚焦扫描成像得到荧光图，随后可进行连续波普实验，从而确定nv色心。二层三维双精度马达用来对样品进行定位，确定区域后，即可利用其三维细扫描功能，对样品进行下针并进行扫描成像实验。
92.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。