金刚石色心微波激射器及其制备方法与流程

1.本技术属于金刚石色心量子传感技术领域，尤其涉及金刚石色心微波激射器及其制备方法。


背景技术：

2.目前基于金刚石nv色心微波激射器的研究刚刚起步。根据金刚石nv色心其塞曼劈裂能级实现微波光子的激射放大，但目前劈裂塞曼能级需要较强的磁场，通常为几千高斯，特别是在几十ghz频率工作时则需要几万高斯的强磁场。现有的研究体系使用的外加强磁场为电磁铁产生的，电磁铁产生几千到几万高斯的磁场时，其体积将会达到m3级，质量高达100～1000斤，且需要较大的电流和功率能耗。


技术实现要素：

3.本技术实施例提供了金刚石色心微波激射器及其制备方法，以解决激射器的体积、质量和功耗较大的问题。
4.本技术是通过如下技术方案实现的：
5.第一方面，本技术实施例提供了一种金刚石色心微波激射器，包括：
6.铜腔体；
7.蓝宝石谐振体，蓝宝石谐振体位于铜腔体中部；
8.金刚石色心，金刚石色心位于蓝宝石谐振体中部；
9.粗光纤，粗光纤的第一端与金刚石色心连接，粗光纤的第二端用于与激光器连接；
10.多个磁通量聚集器，多个磁通量聚集器包括第一磁通量聚集器和第二磁通量聚集器；
11.多个铜线圈，多个铜线圈包括第一铜线圈和第二铜线圈；
12.第一磁通量聚集器的第一端与第一铜线圈连接，第一磁通量聚集器的第二端与金刚石色心下表面连接，第二磁通量聚集器的第一端与第二铜线圈连接，第二磁通量聚集器的第二端与金刚石色心上表面连接。
13.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，金刚石色心的色心浓度范围为：0.1ppm～10ppm；金刚石色心为上表面和下表面为正方形，其长、宽、高范围为：0.1mm～10mm；金刚石色心为《111》晶向。
14.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，激光器发射532nm激光，通过粗光纤输入金刚石色心，532nm激光功率范围为：0.1w～10w。
15.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，第一磁通量聚集器和第二磁通量聚集器的形状为圆台；第一磁通量聚集器的第二端的平面的直径与金刚石色心下表面的边长相同；第二磁通量聚集器的第二端的平面的直径与金刚石色心上表面的边长相同。
16.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，粗光纤的内部直径范围为：0.1mm～2mm。
17.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，蓝宝石谐振体谐振频率的范围为：1ghz～300ghz。
18.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，第一铜线圈和第二铜线圈用于产生强度为45gs的磁场。
19.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，金刚石色心微波激射器还包括微波发射天线，微波发射天线设置于铜腔体外部的上表面。
20.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，第一磁通量聚集器和第二磁通量聚集器的形状还包括：棱台或者梯台。
21.第二方面，本技术实施例提供了一种金刚石色心微波激射器制备方法，包括：
22.对高磁导材料通过机械加工，制备得到多个磁通量聚集器，多个磁通量聚集器包括第一磁通量聚集器和第二磁通量聚集器；
23.将粗光纤与金刚石色心侧面连接；将第一磁通量聚集器的第一端与金刚石色心下表面连接，将第一磁通量聚集器的第二端与第一铜线圈连接，将第二磁通量聚集器的第一端与金刚石色心上表面连接，将第二磁通量聚集器的第二端与第二铜线圈连接，得到第一主体；
24.将第一主体放置于蓝宝石谐振体中部，得到第二主体；
25.将第二主体放置于铜腔体中部，并在铜腔体外部的上表面焊接微波发射天线，得到金刚石色心微波激射器。
26.可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
27.本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
28.本技术通过将两个磁通量聚集器放置于金刚石色心上下两侧，磁通量聚集器外部放置铜线圈，激光通过粗光纤从侧面照射金刚石内部的方法，磁通量聚集器可以放大铜线圈产生的磁场，在同等磁场的要求下铜线圈产生的磁场需要的能量就小，最终使得整个金刚石色心微波激射器成品在满足通过铜线圈外加磁场的情况下，与传统的电磁铁的方法得到外加磁场相比，产生磁场的功耗降低，体积缩小到cm3级，大大减小了器件的质量，使整个激射器更加便携，低能耗。
29.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
附图说明
30.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1是本技术一实施例提供的金刚石色心微波激射器的结构示意图；
32.图2是本技术一实施例提供的金刚石色心微波激射器制备方法的示意性流程图。
具体实施方式
33.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
34.应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
35.还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
36.如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0037]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0038]
在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
[0039]
图1是本技术一实施例提供的金刚石色心微波激射器的结构示意图，参照图1，对该金刚石色心微波激射器的详述如下：
[0040]
上述金刚石色心微波激射器包括：铜腔体1、蓝宝石谐振体2、金刚石色心3、粗光纤4、多个磁通量聚集器和多个铜线圈。
[0041]
蓝宝石谐振体2位于铜腔体1中部，金刚石色心3位于蓝宝石谐振体中部，粗光纤4的第一端与金刚石色心3连接，粗光纤4的第二端用于与激光器连接，多个磁通量聚集器包括第一磁通量聚集器5和第二磁通量聚集器6，多个铜线圈包括第一铜线圈7和第二铜线圈8。
[0042]
示例性的，蓝宝石谐振体2的内部为实心，中部为金刚石色心3；而铜腔体1为空心的铜皮腔，中部为蓝宝石谐振体2。
[0043]
第一磁通量聚集器5的第一端与第一铜线圈7连接，第一磁通量聚集器5的第二端与金刚石色心3下表面连接，第二磁通量聚集器6的第一端与第二铜线圈8连接，第二磁通量聚集器6的第二端与金刚石色心3上表面连接。
[0044]
示例性的，金刚石色心3的色心浓度范围为：0.1ppm～10ppm；金刚石色心3为上表面和下表面为正方形，其长、宽、高范围为：0.1mm～10mm；金刚石色心3为《111》晶向。
[0045]
示例性的，激光器发射532nm激光，通过粗光纤4输入金刚石色心3，532nm激光功率范围为：0.1w～10w。
[0046]
示例性的，第一磁通量聚集器5和第二磁通量聚集器6的形状为圆台；第一磁通量聚集器5的第二端的平面的直径与金刚石色心3下表面的边长相同；第二磁通量聚集器6的第二端的平面的直径与金刚石色心3上表面的边长相同。
[0047]
具体的，第一磁通量聚集器5和第二磁通量聚集器6的小圆的直径范围为：0.1mm～10mm，大圆的直径范围为：20mm～3000mm。
[0048]
示例性的，粗光纤4的内部直径范围为：0.1mm～2mm。
[0049]
具体的，粗光纤4的内部直径尺寸根据金刚石色心3侧面的高度决定。
[0050]
示例性的，蓝宝石谐振体2谐振频率的范围为：1ghz～300ghz。
[0051]
示例性的，第一铜线圈7和第二铜线圈8用于产生强度为45gs的磁场。
[0052]
示例性的，金刚石色心微波激射器还包括微波发射天线9，微波发射天线9设置于铜腔体1外部的上表面。
[0053]
示例性的，第一磁通量聚集器5和第二磁通量聚集器6的形状还包括：棱台或者梯台。
[0054]
具体的，磁通量聚集器的竖截面形状还可以为t形。
[0055]
以下结合图1对本技术的金刚石色心微波激射器制备方法进行详细说明。
[0056]
图2是本技术一实施例提供的金刚石色心微波激射器制备方法的示意性流程图，参照图2，对该金刚石色心微波激射器制备方法的详述如下：
[0057]
步骤101，对高磁导材料通过机械加工，制备得到多个磁通量聚集器，多个磁通量聚集器包括第一磁通量聚集器和第二磁通量聚集器。
[0058]
步骤102，将粗光纤与金刚石色心侧面连接；将第一磁通量聚集器的第一端与金刚石色心下表面连接，将第一磁通量聚集器的第二端与第一铜线圈连接，将第二磁通量聚集器的第一端与金刚石色心上表面连接，将第二磁通量聚集器的第二端与第二铜线圈连接，得到第一主体。
[0059]
步骤103，将第一主体放置于蓝宝石谐振体中部，得到第二主体。
[0060]
步骤104，将第二主体放置于铜腔体中部，并在铜腔体外部的上表面焊接微波发射天线，得到金刚石色心微波激射器。
[0061]
具体的，在某一具体实施例中，金刚石色心的色心浓度为5ppm，尺寸为3mm*3mm*3mm，切割晶向为《111》；使用坡莫合金1j85进行制备磁通量聚集器，磁通量聚集器形状为圆台，圆台的小圆直径为3mm，大圆的直径为5cm，高度为10cm，其磁场放大倍数为100倍；粗光纤的内部直径为1.5mm，激光功率2w；蓝宝石谐振体的谐振频率9.2ghz，铜线圈产生的磁场的磁场强度为45gs。
[0062]
具体的，在另一具体实施例中，金刚石色心的色心浓度为1ppm，尺寸为5mm*5mm*5mm，切割晶向为《111》；使用坡莫合金1j85进行制备磁通量聚集器，磁通量聚集器形状为圆台，圆台的小圆直径为5mm，大圆的直径为5cm，高度为10cm，其磁场放大倍数为100倍；粗光纤的内部直径为2mm，激光功率3w；蓝宝石谐振体的谐振频率9.2ghz，铜线圈产生的磁场的磁场强度为45gs。
[0063]
示例性的，以激射器工作频率为9.2ghz为例，需要磁场约为4500高斯，铜线圈产生45高斯的磁场，磁通量聚集器放大磁场100倍，即可达到塞曼劈裂的能级，激射器体积为5*5*5cm3，激射器质量为5斤。而使用传统电磁铁方法则需要的激射器体积为50*50*50cm3，激
射器质量为150斤，传统电磁铁方法，功耗将增大100倍，体积增大1000倍，质量增大30倍。
[0064]
上述金刚石色心微波激射器制备方法，通过将两个磁通量聚集器放置于金刚石色心上下两侧，磁通量聚集器外部放置铜线圈，激光通过粗光纤从侧面照射金刚石内部的方法，磁通量聚集器可以放大铜线圈产生的磁场，在同等磁场的要求下铜线圈产生的磁场需要的能量就小，最终使得整个金刚石色心微波激射器成品在满足通过铜线圈外加磁场的情况下，与传统的电磁铁的方法得到外加磁场相比，产生磁场的功耗降低，体积缩小到cm3级，大大减小了器件的质量，使整个激射器更加便携，低能耗。除此之外，因为磁通量聚集器的存在，使得铜线圈产生的磁场得以放大，相比于传统的激射器直接施加磁场，更加容易实现，解决了传统的激射器直接施加强磁场困难的问题。
[0065]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本技术实施例的实施过程构成任何限定。
[0066]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。