以基于金刚石NV色心的温度成像系统进行测温的方法

以基于金刚石nv色心的温度成像系统进行测温的方法
技术领域
1.本发明属于量子精密传感技术领域，具体涉及以基于金刚石nv色心的温度成像系统进行测温的方法。


背景技术：

2.色心是固体晶体缺陷的一种，属于点缺陷，这些缺陷能够吸收和发射特定波长的荧光，继而通过特征光谱来区分。不同掺杂会使金刚石色心的种类和含量不同，目前已发现的多种金刚石缺陷中，氮空位缺陷因具有独特的光学性质和电子自旋特性，被认为是最具研究潜力的缺陷之一。
3.金刚石nv色心是指金刚石固定结构的碳原子被一个氮原子所取代，相邻的4个碳原子中存在一个空位，氮原子与剩下的两个碳原子和空位形成了一个稳定结构，这种结构存在发光缺陷，所以称之为金刚石nv色心。金刚石nv色心存在两种不同的带电状态，分别是nv0和nv-，nv0是不带电的nv色心，而nv-是带负电的nv色心。nv色心在基态3a2和激发态3e之间形成了自旋三重态，其自旋能级分别是ms＝ 1、ms＝0、ms＝-1。在没有外界静态磁场的作用下，基态中的ms＝-1和ms＝ 1这两个本来线性无关的状态是简并的。这个状态与ms＝0状态的零场分裂是2.87ghz，也就是零场下的d值。因此，nv色心可以和2.87ghz的微波信号产生共振，宏观上表现为荧光信号强度的显著下降，通过泵浦光对晶体缺陷进行自旋极化及光学读出，将磁共振的信息转移到探测光强上，这一技术为光探测磁共振(odmr)技术。
4.利用nv色心进行温度测量的研究通常以测量d的移动为主，在室温范围下，d值与温度的变化近似成线性。光纤量子温度探头通过扫描odmr谱，得到nv色心系综的八个能级，能级的峰位通过拟合得到，通过数值求解nv色心体系的d(零场劈裂，和温度相关)，根据事先标定好的d的温度依赖关系，可获得对温度的精密测量。
5.在此基础上，基于金刚石nv色心的温度传感设备被相继提出，早期的以odmr为主的探测方法主要是基于共聚焦光路系统设计的，为了提高测量技术的实用化，本领域技术人员研究出了一种基于金刚石nv色心的光纤温度传感器(中国专利cn 111307326 a)，其主要包括光纤，微波传输天线和含有nv色心的金刚石，含有nv色心的金刚石位于光纤的端面，温度变化会引起nv色心基态能级的变化，继而用于温度传感。金刚石作为主要的传感部件，本身就具有很高的热传导系数，使得其能够响应到毫秒量级的温度变化。但是，需要注意的一点是，虽然从原则上来说只要改变金刚石的大小就能够适应不同空间分辨率的需求，但是如果将该传感设备用于测量微型器件(如芯片)，金刚石尺寸需达到10μm左右的水平，但是传统的多模光纤的纤芯直径为50～62.5μm、包层外直径为125μm；单模光纤的纤芯直径为8.3μm左右，包层外直径约为125μm，光纤直径与金刚石尺寸相差一个数量级，在利用荧光激发和收集模块进行nv色心的激发以及荧光的收集，以将光信号转化为电信号的过程中，荧光收集效率对于光纤直径和金刚石的相对尺寸比较敏感，当光从某一角度进入光纤后，如果纤芯和包层的界面的入射角超过临界角，那么光会被完全反射，最终约束在纤芯内传播，这就会存在激光泄漏的问题，会影响激光激发效率和荧光收集效率。
6.中国专利cn 109143121 b公开一种基于脉冲调制的微波场定量测试系统及方法，该测试系统中提出运用锥形光纤提高荧光收集率的设想，具体是将含有nv色心的金刚石颗粒固定在锥形光纤探头的端面上，通过激光耦合进入光纤来测试微波场，锥形光纤的设计可提高荧光信号的收集效率，在探头体积非常小的情况下，该设计能够实现芯片级的高空间分辨率的磁场测量；该方案是采用脉冲调制的方式对微波场进行定量测试，现有技术中还未见将锥形光纤用于温度成像系统的方案，也没有以此为基础提出过能显著提高测温精密度的科学温度计算方法。


技术实现要素：

7.本发明的是针对现有技术中存在的光纤测温系统分辨率、灵敏度不够高的问题，提出一种以基于金刚石nv色心的温度成像系统进行测温的方法，通过采用含金刚石nv色心的微米级锥形光纤量子温度探头，光电探测器，频谱仪以及微米级步进电动位移平台来提高测量分辨率和灵敏度。
8.本发明的技术方案为：一种以基于金刚石nv色心的温度成像系统进行测温的方法，该温度成像系统包括激光源、微波信号源、脉冲信号发生器、荧光采集装置、扫描装置和计算机；
9.激光源和微波信号源分别与脉冲信号发生器电连接；
10.扫描装置包括锥形光纤固态量子温度探头、待测器件和电动扫描装置，电动扫描装置搭载锥形光纤固态量子温度探头用于对固定在电动扫描装置上的待测器件进行移动扫描；
11.荧光采集装置包括激发光路、光电探测器、电压采集模块、低噪声放大器和滤波器，用于采集金刚石被激发产生的红色荧光，采集完成后将处理好的信号传输至频谱仪；
12.脉冲信号发生器、频谱仪和电动扫描装置分别与计算机电连接；
13.光纤量子温度探头通过扫描odmr谱，可以测出8个中心对称相互独立的共振峰，得到nv色心系综的八个能级，能级的峰位通过拟合得到，通过数值求解nv色心体系的含d、e和矢量b的哈密顿量，获得d的值，计算过程如下：
14.利用哈密顿量公式及得到h
′
的表达式为
15.其中，h表示哈密顿量，b表示磁场大小，d表示零场劈裂值，e表示晶体应力，θ表示nv轴与磁场的夹角，h
′
表示新构造的一个哈密顿量、i表示单位矩阵；
16.求h
′
的特征值，特征多项式为：
[0017][0018]h′
的三个特征值f1，f2，f3满足：
[0019][0020]
令fu＝f
3-f1，f1＝f
2-f1，可以得到
[0021][0022][0023]
比较常数项可以得到：
[0024][0025]
给定的坐标系为使得四个nv轴的方向向量分别为(1，1，1)，(1，1，-1)，(1，-1，1)，(-1，1，1)的坐标系，称之为nv坐标系，给定的方向角度α，β，α表示nv坐标系与z轴的夹角，β表示nv轴与x轴的夹角；
[0026]
设磁场方向向量为v＝(sinαcosβ，sinαsinβ，cosα)利用公式
[0027][0028]
求得磁场方向与四个nv轴向的夹角的余弦值，写成矩阵形式为
[0029][0030]
c＝(cosθ1，cosθ2，cosθ3，cosθ4)^t
ꢀꢀꢀ
(3-11)
[0031]n·
v＝c
ꢀꢀꢀ
(3-12)
[0032]
利用式(3-9)所得余弦值结合公式(3-7)，公式(3-8)共五个方程，五个未知数可以解得d，方程中的fu，f
l
为8个峰，每个方向对应一对，根据事先标定好的d的温度依赖关系，获得对温度的精密测量。
[0033]
进一步地，激光源用于产生激光脉冲信号，微波信号源用于产生高频微波信号，脉冲信号发生器用于产生ttl信号以对激光源和微波信号源进行控制。
[0034]
进一步地，激光源利用脉冲信号发生器发出的调制信号，产生波长为532nm的可控占空比绿色激光。
[0035]
进一步地，微波信号源产生的高频微波信号经脉冲调制信号调制，连接至高频微波线圈，高频微波线圈置于锥形光纤固态量子温度探头附近，用于使金刚石nv色心周围微波场保持稳定。
[0036]
进一步地，金刚石颗粒直径可以在亚微米水平与亚毫米水平间进行调整，主要是为了适应不同空间分辨率的需求，锥形多模光纤的端面直径为了适应金刚石颗粒直径，可以介于亚微米水平到125微米之间。
[0037]
进一步地，锥形光纤固态量子温度探头是将金刚石nv色心颗粒样品固定在锥形多模光纤的尖端形成，锥形多模光纤通过手动拉锥法或电弧放电法制备。
[0038]
进一步地，激发光路包括凸透镜、反射镜、长通二向色镜、第一物镜、光纤转接板和第二物镜；激光源发射的激光穿过一组凸透镜将透过的激光调整为一束平行光，经过反射镜反射后的平行光照射在长通二向色镜上，长通二向色镜的镜平面与入射激光呈45
°
夹角，长通二向色镜将入射激光以与入射角度呈90
°
的方向反射到第一物镜上，第一物镜和光纤转接板用于泵浦激光的聚焦和耦合，将用于激发的平行激光耦合到锥形多模光纤中，激光传导至锥形多模光纤的锥面，激发固定在其前端的金刚石中的nv色心；nv色心辐射的荧光由锥形多模光纤收集并传送到光纤转接板和第一物镜上，穿透长通二向色镜照射到第二物镜上，第二物镜将荧光聚焦在光电探测器上，实现光信号与电信号之间的转换。
[0039]
进一步地，荧光穿透第二物镜聚焦在光电探测器上之前穿过长通滤波片，用于过滤噪声信号。
[0040]
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
[0041]
1.利用本技术公开的系统测量温度时，通过程控微波源改变微波信号频率，施加外部磁场后再通过odmr技术，可以测出8个中心对称相互独立的共振峰，得到nv色心系综的八个能级，能级的峰位通过拟合得到，通过数值求解nv色心体系的哈密顿量，获得d的值，再根据事先标定好的d的温度依赖关系，即可获得相对精密的温度值；本发明采用逐点扫描的方法大大提高了测量分辨率，nv色心体积极小，这大大提高了测量灵敏度；
[0042]
2.本技术对常规多模光纤进行拉锥处理制成锥形多模光纤后在锥形端固定金刚石nv色心颗粒样品以构成锥形光纤固态量子温度探头，相比于利用常规光纤材料制成的温度探头而言，由于锥形尖端的尺寸与小颗粒金刚石的尺寸更为接近，所以可有效防止激光泄漏，有助于提高激光激发效率和荧光收集效率；
[0043]
3.本技术公开的温度成像系统利用锥形光纤固态量子温度探头进行测温操作，基于该探头荧光收集效率高的特性，可以显著提高测量灵敏度，实现高空间分辨率的温度测量和扫描，能对微小器件进行高精度的温度测量，满足更高精度实验和应用的需求。
附图说明
[0044]
图1是基于金刚石nv色心的微米级高分辨温度成像系统的结构示意框图；
[0045]
图2是激光从激光源传输到频谱仪的过程详解图；
[0046]
图3为锥形光纤固态量子温度探头的结构示意图；
[0047]
图4是拉锥光纤和未拉锥光纤的荧光收集效率对比图；
[0048]
图5是电弧放电法设备实物图；
[0049]
其中，1-锥形光纤固态量子温度探头，2-第一物镜，3-激光源，4-长通二向色镜；5-滤波片，6-光电探测器，7-电压采集模块，8-低噪声放大器，9-滤波器，10-脉冲信号发生器，11-微波信号源，12-高频微波线圈，13-待测器件，14-电动扫描装置，15-计算机，16-频谱仪，17-凸透镜，18-反射镜，19-光纤转接板，20-第二物镜；
[0050]
11-金刚石nv色心颗粒样品，12-锥形多模光纤。
具体实施方式
[0051]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖
在本发明的保护范围中。
[0052]
实施例一
[0053]
为了提高温度感测的分辨率和灵敏度，本实施例中公开一种基于金刚石nv色心的微米级高分辨温度成像系统，包括激光源3、微波信号源11、脉冲信号发生器10、荧光采集装置、扫描装置和计算机15；
[0054]
激光源3和微波信号源11分别与脉冲信号发生器10电连接，激光源3用于产生激光脉冲信号，微波信号源11用于产生高频微波信号，脉冲信号发生器10用于产生ttl信号对激光源和微波信号源进行控制；
[0055]
用于对温度场进行探测扫描成像的扫描装置包括锥形光纤固态量子温度探头1、待测器件13和电动扫描装置14，电动扫描装置14为二维电操控位移平台，其是一种微米级步进电动位移平台，位移平台上固定有待测器件13，电动扫描装置14搭载锥形光纤固态量子温度探头1后用于对待测器件13进行移动扫描，本实施例中所指的待测器件为微型待测芯片。
[0056]
所述锥形光纤固态量子温度探头1是将金刚石nv色心颗粒样品11固定在锥形多模光纤12的锥形端部构成的，锥形多模光纤12是由多模光纤制成的准绝热锥形光纤。扫描时只需要通过计算机程序操控电动位移平台控制箱就可以控制待测器件13进行微米级电动扫描。
[0057]
锥形光纤固态量子温度探头1的结构如图3所示，所用锥形光纤量子温度探头1的每一个尖端尺寸都匹配相应的金刚石nv色心颗粒样品11的大小；在本实施例中，金刚石颗粒直径为12μm，锥形多模光纤的端面直径为16-21μm。
[0058]
本实施例中提出的锥形多模光纤可由手动拉锥法或电弧放电法制备得到。
[0059]
手动拉锥法：首先使用剥线钳将多模光纤剥去约2-3cm长度的涂覆层，再使用蘸有无水酒精溶液的实验纸擦拭干净涂覆层残留物；接着，将光纤放置在蜡烛火焰尖端进行加热，一端用手紧握固定，另一端用镊子进行匀速拉伸，直至拉断。拉制时需确保在密闭环境中进行，因为空气流动会影响火焰温度和质量。最后使用光纤切割刀快速切平端面，形成平整端面，这将有利于固定金刚石颗粒，提高收集效率。
[0060]
电弧放电法：首先使用剥线钳将多模光纤剥去约2-3cm长度的涂覆层，将去除涂覆层的多模光纤放置在光纤夹持器上。如图5所示，一对电极呈前后位置放置，尖端相距约1mm；通过设置电流大小和电流时间控制电弧放电的大小和时间，操控电机运转速度控制夹持器远离速度，从而熔融光纤，得到锥形光纤。此方法能够得到稳定锥长的光纤，锥长范围控制在60μm-400μm，精确度更高。
[0061]
激光源3利用脉冲信号发生器10发出的调制信号，产生波长为532nm的可控占空比绿色激光，考虑到待测样品的尺寸极小，感温能力极强，因此激光温度会直接影响探头探测的温度，因此，需要可控占空比激光来控制激光在光纤末端产生的温度低于室温。可控占空比绿色激光打入光路，最终通过物镜聚焦至锥型固态光纤量子温度探头1处完成光电信号的转换。
[0062]
微波信号源11产生的高频微波信号经脉冲调制信号调制，连接至高频微波线圈12，将高频微波线圈12置于锥形光纤固态量子温度探头1附近，使得金刚石nv色心周围微波场保持不变。
[0063]
荧光采集装置包括激发光路、光电探测器6、电压采集模块7、低噪声放大器8和滤波器9，金刚石nv色心在激光与微波信号的交替作用下产生边带荧光脉冲信号，金刚石被激发产生红色荧光后，荧光采集装置用于采集金刚石被激发产生的红色荧光，采集完成后将处理好的信号传输至频谱仪16进行进一步分析和处理。
[0064]
脉冲信号发生器10、频谱仪16和电动扫描装置14分别与计算机15电连接。
[0065]
激光从激光源3传输到频谱仪16所经历的激发光路如图2所示，激光源3发射的激光首先穿过一组凸透镜17，凸透镜组可以将透过的激光调整为一束平行光；再经过反射镜18反射(反射镜可以用来调整光路的高度和方向)，反射后的平行光照射在长通二向色镜4上，长通二向色镜4的镜平面与入射激光呈45
°
夹角；由于入射激光的波长小于长通二向色镜4的起始波长，所以对于入射激光来说长通二向色镜4相当于一枚反射镜，可以将入射激光以与入射角度呈90
°
的方向反射到第一物镜2上；第一物镜2和光纤转接板19用于泵浦激光的聚焦和耦合，这样就可以将用于激发的平行激光耦合到锥形多模光纤中，激光传导至锥形多模光纤的锥面，激发固定在其前端的nv色心晶体；nv色心辐射的荧光由锥形光纤收集并传送到光纤转接板19和第一物镜2上，荧光的波长的范围是600-800nm，波长大于长通二向色镜4的起始波长，长通二向色镜4对该波长的光的阻碍和反射率很小，可以穿透长通二向色镜4照射到第二物镜20上；第二物镜20将荧光聚焦在光电探测器6上，本实施例中采用的光电探测器为雪崩光电二极管apd，即最后由apd收集，完成光信号与电信号之间的转换。
[0066]
在光电探测器6前安装一片长通滤波片5，用于过滤光路系统中长通二向色镜4未过滤完全的杂光。
[0067]
以上述温度成像系统进行温度测量的方法如下：
[0068]
利用nv色心进行温度测量的研究通常以测量d的移动为主，在室温范围下，d值与温度t的变化近似成线性，为：dd/dt＝74.2khz/k。光纤量子温度探头通过扫描odmr谱，可以测出8个中心对称相互独立的共振峰，得到nv色心系综的八个能级，能级的峰位通过拟合得到，通过数值求解nv色心体系的含d(零场劈裂，和温度相关)，e(晶体应力，忽略和温度的关系)和矢量b的哈密顿量，获得d的值，解决了通过双峰中心频率计算的温度值误差大的问题，下面介绍根据8峰如何得到d的值。
[0069]
利用哈密顿量公式及得到h
′
的表达式为
[0070]
其中，h表示哈密顿量，b表示磁场大小，d表示零场劈裂值，e表示晶体应力，θ表示nv轴与磁场的夹角，h
′
表示新构造的一个哈密顿量、i表示单位矩阵；
[0071]
求h
′
的特征值，特征多项式为：
[0072]
[0073]h′
的三个特征值f1，f2，f3满足：
[0074][0075]
令fu＝f
3-f1，f1＝f
2-f1，可以得到
[0076][0077][0078]
比较常数项可以得到：
[0079][0080]
我们给定的坐标系为使得四个nv轴的方向向量分别为(1，1，1)，(1，1，-1)，(1，-1，1)，(-1，1，1)的坐标系，称之为nv坐标系，给定的方向角度α，β，α表示nv坐标系与z轴的夹角，β表示nv轴与x轴的夹角；
[0081]
设磁场方向向量为v＝(sinαcosβ，sinαsinβ，cosα)利用公式
[0082][0083]
求得磁场方向与四个nv轴向的夹角的余弦值，写成矩阵形式为
[0084][0085]
c＝(cosθ1，cosθ2，cosθ3，cosθ4)^t
ꢀꢀꢀ
(3-11)
[0086]n·
v＝c
ꢀꢀꢀ
(3-12)
[0087]
利用式(3-9)所得余弦值结合公式(3-7)，公式(3-8)共五个方程，五个未知数可以解得d，方程中的fu，f
l
为8个峰，每个方向对应一对，根据事先标定好的d的温度依赖关系，获得对温度的精密测量。
[0088]
对比例：锥形多模光纤与常规未拉锥光纤荧光收集率的比较
[0089]
光纤是一种圆柱形波导，光在纤芯内传输，折射率约为1.47；包层在纤芯外，它的折射率略小于纤芯，约为1.42。当光从某一角度进入光纤后，如果纤芯和包层的界面的入射角超过临界角，光就会被完全反射，最终将光约束在纤芯内传播。而将多模光纤进行拉锥处理之后，包层变薄，甚至空气成为新包层(折射率为1)、与光纤中纤芯的折射率相差较大，所以此时对光有很强的束缚。荧光收集效率对于光纤锥形尖端和金刚石的相对尺寸比较敏感，当锥形尖端的尺寸和金刚石尺寸接近时即可防止激光泄漏，提高激光激发效率和荧光收集效率。在相同时间条件下，采用532nm的泵浦光束，对同一样品在相同位置处进行了荧光收集效率的测试，记录收集到的荧光光子数。图4为锥形光纤与普通未拉锥光纤的荧光收集效率对比图。可以看出，光谱主要覆盖600-800nm波长范围，700nm处荧光最强。由于滤光片将除红光以外的光全部滤除了，所以存在波长短于600nm的截止点。拉锥过的光纤可以清
晰地观察到nv-位于637nm处的零声子线(*形标注)，此时金刚石中的nv色心能被有效地激发并被捕捉到。而未拉锥过的光纤不能清楚表现出光谱特点，荧光收集效率较低。采用锥形光纤收集到的荧光强度计数达到将近6000，是非锥形光纤的12倍以上，能够大幅度提升了荧光收集效率。
[0090]
这就是实施例1中采用拉锥光纤的主要原因，这样的设计可以显著提高测量灵敏度，实现高空间分辨率的温度测量和扫描，能对微小器件进行高精度的温度测量，满足更高精度实验和应用的需求。
[0091]
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。