2024年11月1日发(作者：孙平文)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.5

(22)申请日 2019.04.11

(71)申请人 北京航空航天大学

地址 100191 北京市海淀区学院路37号

(72)发明人 袁珩 刘禹辰 张冀星 陈禄 韩志强 姜尚韬

(74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责任公司

代理人 杨学明

(51)

(10)申请公布号 CN 109916872 A

(43)申请公布日 2019.06.21

权利要求说明书 说明书 幅图

(54)发明名称

一种固体缺陷色心极化率检测系统

及方法

(57)摘要

本发明公开了一种固体缺陷色心极

化率检测系统与方法。本发明的一个实施

例采用内含高浓度NV色心的金刚石材料

作为敏感元件，对样品进行操控，实现电

子自旋的极化，通过光学偏振脉冲以及最

佳的脉冲自旋投影检测方法，从而实现极

化率的测量。相比于检测自旋相关的荧光

强度、单态红外吸收检测以及电流检测等

方法，本发明提出了一种精确测量固体缺

陷色心的电子极化和光泵浦速率的方法，

大幅度提高了信噪比，弛豫时间大幅缩

短，对于分析基于量子原理的磁场测量系

统性能方面具有重要的应用价值，将服务

于传感测量及控制反馈等工程实践中。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:系统采用内含固体缺陷色心作为

敏感元件,对样品进行操控,实现电子自旋的极化;通过改变检测光的光强得到荧光数

据,对该组数据进行数据分析,进而得到极化率的拟合值;检测系统包括激发激光发生

部分、检测激光发生部分、荧光检测光路部分、样品与其操控部分和信号采集与数

据处理部分。

2.根据权利要求1所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述的激发激

光发生部分包括光源(1)、第一光开关(2)、第一λ/2波片(3)、平面镜(4)、偏振分束

器(PBS)(8)、二向色镜(12),其中光源(1)可使用但不限于532nm激光器,第一光开关

(2)可使用但不限于声光调制器(AOM),光源(1)产生连续激光,第一光开关(2)在脉冲发

生器(17)的控制下实现从连续光输入向脉冲光输出的转换,经过第一λ/2波片(3)变成

偏振光通过偏振分束器(PBS)(8)调节后续光路的光强;所述的检测激光发生部分包括

检测光源(5)、第二光开关(6)、第二λ/2波片(7),偏振分束器(PBS)(8)、二向色镜(12),

其中检测光源(5)可使用但不限于532nm激光器,第二光开关(6)可使用但不限于声光

调制器(AOM),检测光源(5)产生连续激光,第二光开关(6)实现从连续光输入向脉冲光

输出的转换,偏振分束器(PBS)(8)产生功率可调的检测光,第二光开关(6)在脉冲发生

器(17)的控制下使连续将测光输入变为脉冲微波输出。

3.根据权利要求1所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述的荧光检

测光路部分,包括光电敏感器件(9)、低通滤波器(10)、带孔的挡板(11)、二向色镜

(12)、物镜(13),其中敏感元件可使用但不限于雪崩光电二极管(APD),样品发出的荧

光经二向色镜(12)通过带孔挡板(11)经低通滤波器(10)滤波被光电敏感器件(9)接收。

4.根据权利要求1所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述的样品与

其操控部分,包括金刚石样品(14)、样品架(15)、磁场发生装置,其中,样品架(15)可使

用但不限于印刷电路板,金刚石样品(14)放置于样品架(15)上,磁场发生装置提供实验

过程中需要的磁场。

5.根据权利要求1所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述的信号采

集与数据处理部分包括荧光收集部分和数据处理部分,其中荧光收集部分用于实现

荧光收集,数据处理部分利用主控制机(16)实现电信号的后续处理。

6.根据权利要求1-5任一项所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述

的脉冲发生器(17),在主控制机(16)虚拟仪器控制下进行脉冲的输出,从而控制第一光

开关(2)、第二光开关(6),虚拟仪器可使用但不限于Labview软件。

7.根据权利要求1-5任一项所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述

的信号采集与数据处理部分,包括二向色镜(12)、物镜(13)、光电敏感器件(9)、主控

制机(16),其中光电敏感器件(9)可以使用但不限于PN结光电二极管,金刚石样品(14)

受激发光作用会产生荧光,荧光经过二向色镜(12)、带孔的挡板(11)、低通滤波器(10)

进入光电敏感器件(9),光电敏感器件(9)将光信号转换为电信号后传输到主控制机(16)

进行数据处理得到系统的转动参数。

8.一种固体缺陷色心极化率检测方法,利用权利要求1-7任一项所述的固体缺陷色心

极化率检测系统,其特征在于:该方法使用时按照以下时序完成一次极化率参数的测

量:

步骤100、对样品进行操控,实现固体缺陷色心电子自旋极化;

步骤110、对样品施加检测激光,改变检测激光光强,得到一组荧光脉冲数据;

步骤120、对荧光脉冲数据进行极大似然估计或最小方差估计,得到一组极化率Ρ

和光强Г的拟合值;

步骤130、对这组极化率Ρ和光强Г的拟合值进行极大似然估计或最小方差估计,

得到系统的极化率参。

9.根据权利要求8所述的一种固体缺陷色心极化率检测方法,其特征在于:步骤110

中改变光强的方法可以使用但不限于使用电动框架程序来控制λ/2波片以及使用

PBS偏光分束器。

10.根据权利要求8所述的一种固体缺陷色心极化率检测方法,其特征在于:步骤120

以及步骤130中数据分析,特征实施例为回归拟合分析和参数拟合方法可以使用但

不限于最小二乘法和极大似然估计法。

说 明 书

技术领域

本发明涉及量子计算、量子精密测量技术领域,尤其涉及一种固体缺陷色心极化率

检测系统及方法。

背景技术

作为固体自旋系统,NV色心被认为是一种很有前途的量子传感器,在量子传感和量

子计算方面具有很大的应用潜力。为了实现相关的量子应用,需要进行量子自旋的

操纵和检测。目前主要的自旋检测方法是检测自旋相关的荧光强度,还有单态红外

吸收检测和电流检测方法。上述方法集中于操作后极化率值的相对变化,它表明极

化率处于最大值和最小值之间的某个位置,或者变化量。然而,具体的极化率是多少,

通过这些方法不能获得极化率的具体值。该值在分析系统性能方面具有重要的应用

价值,因此测量极化率的真实值具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题为:精确确测量固体缺陷色心的极化率,实现检测信噪比提

升。

根据本发明的一个实施例,提供了一种固体缺陷色心的极化率检测系统及方法,包括:

一种固体缺陷色心的极化率检测系统,装置采用内含固体缺陷色心作为敏感元件,一

个特征实施例为金刚石氮-空位色心材料,对样品进行操控,实现电子自旋的极化。通

过改变检测光(针对特征实施例金刚石氮-空位系统使用532nm激光)的光强得到荧

光数据,对该组数据进行数据分析,特征实施例为回归拟合分析,进而得到极化率的拟

合值。检测系统包括激发激光发生部分、检测激光发生部分、荧光检测光路部分、

样品与其操控部分和信号采集与数据处理部分。

所述的激发激光发生部分,包括光源1、第一光开关2、第一λ/2波片3、平面镜4、

第一偏振分束器(PBS)8、第一二向色镜12,其中光源1可使用但不限于532nm激光

器,第一光开关2可使用但不限于声光调制器(AOM),光源1产生连续激光,第一光开

关2在脉冲发生器17的控制下实现从连续光输入向脉冲光输出的转换,经过第一

λ/2波片3变成偏振光通过偏振分束器(PBS)8调节后续光路的光强。所述的检测激

光发生部分,包括检测光源5、第二光开关6、第二λ/2波片7,偏振分束器(PBS)8、

二向色镜12,其中检测光源5可使用但不限于532nm激光器,第二光开关6可使用但

不限于声光调制器(AOM),检测光源5产生连续激光,第二光开关6实现从连续光输

入向脉冲光输出的转换,偏振分束器(PBS)8产生功率可调的检测光,第二光开关6在

脉冲发生器17的控制下使连续将测光输入变为脉冲微波输出;

所述的荧光检测光路部分,包括光电敏感器件9、低通滤波器10、带孔的挡板11、

二向色镜12、物镜13,其中敏感元件可使用但不限于雪崩光电二极管(APD),样品发

出的荧光经二向色镜12通过带孔挡板11经低通滤波器10滤波被光电敏感器件9

接收;

所述的样品与其操控部分,包括金刚石样品14、样品架15、磁场发生装置,其中,样

品架15可使用但不限于印刷电路板,金刚石样品14放置于样品架15上,磁场发生装

置提供实验过程中需要的磁场;

所述的信号采集与数据处理部分包括荧光收集部分和数据处理部分,其中荧光收集

部分用于实现荧光收集,数据处理部分利用主控制机16实现电信号的后续处理。

所述的固体缺陷色心的极化率检测系统,所述的脉冲发生器17,在主控制机16虚拟

仪器控制下进行脉冲的输出,从而控制第一光开关2、第二光开关6,虚拟仪器可使用

但不限于Labview软件。

所述的固体缺陷色心的极化率检测系统,所述的信号采集与数据处理部分,包括二向

色镜12、物镜13、光电敏感器件9、主控制机16,其中光电敏感器件9可以使用但

不限于PN结光电二极管,金刚石样品14受激发光作用会产生荧光,荧光经过物镜12、

带孔的挡板11、低通滤波器10进入光电敏感器件9,光电敏感器件9将光信号转换

为电信号后传输到主控制机16进行数据处理得到系统的转动参数。

一种固体缺陷色心的极化率检测方法,利用所述的固体缺陷色心的极化率检测系统,

使用时按照以下时序完成一次极化率参数的测量:

步骤100、对样品进行操控,实现固体缺陷色心电子自旋极化;

步骤110、对样品施加检测激光,改变检测激光光强,得到一组荧光脉冲数据;

步骤120、对荧光脉冲数据进行极大似然估计或最小方差估计,得到一组极化率Ρ

和光强Г的拟合值;

步骤130、对这组极化率Ρ和光强Г的拟合值进行极大似然估计或最小方差估计,

得到系统的极化率参数;

其中,步骤110中改变光强的方法可以使用但不限于使用电动框架程序来控制λ/2波

片以及使用PBS偏光分束器。

其中,步骤120以及步骤130中数据分析,特征实施例为回归拟合分析和参数拟合方

法可以使用但不限于最小二乘法和极大似然估计法。

本发明与现有技术相比的优点在于:

本发明相比于检测自旋相关的荧光强度、单态红外吸收检测以及电流检测等方法,

通过对多组荧光数据进行拟合分析,得到固体缺陷色心材料极化率的拟合值,然后对

该组拟合值进行回归分析,得到系统的极化率参数。从而实现精确测量固体缺陷色

心的电子极化和光泵浦速率,大幅度提高了信噪比,弛豫时间大幅缩短,对于分析基于

量子原理的磁场测量系统性能方面具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测方法的流程

图;

图2为零磁场下NV色心能级结构示意图;

图3为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测系统图;

图4为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的技术方案以及优点表达的更清楚,下面通过附图和实施例,对本

发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测方法的流程

图,图3为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测系统图,

图4为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测结果图,如

图1、图3、图4所示,该方法可包括:

步骤100、对样品进行操控,实现NV色心电子自旋极化;

步骤110、对样品施加检测激光,改变检测激光光强,得到一组荧光脉冲数据;

可选地,步骤110中改变光强的方法可以使用但不限于使用电动框架程序来控制λ/2

波片以及使用PBS偏光分束器;

光功率确定方法如下:由于的激光强度是固定的,改变光功率的方式是使用电动框架

程序来控制λ/2波片,用PBS作为重点。首先使用光功率计来获得旋转角度和光功

率之间的关系,然后使用APD来获得旋转角度和稳态荧光强度之间的关系。通过这

种方式,可以消除旋转角度,并获得稳态光强度和光功率之间的关系进而获得光功率。

步骤120、对荧光脉冲数据进行极大似然估计或最小方差估计,得到一组极化率Ρ

和光强Г的拟合值;

可选地,步骤120中回归分析和参数拟合方法可以使用但不限于最小二乘法和极大

似然估计法;

步骤130、对这组极化率Ρ和光强Г的拟合值进行极大似然估计或最小方差估计,

得到系统的极化率参数;

可选地,步骤130中回归分析和参数拟合方法可以使用但不限于最小二乘法和极大

似然估计法;

对于线性模型,最小二乘法可以确保估计是无偏估计和最小方差估计。然而,对于非

线性函数的光学动态方法,不能保证无偏性。为了确保估计的正确性,根据定理可以

保证的最小二乘法估计将无限接近真值,只要观察足够,无论该估计是否是无偏的,都

可以得到一致的估计结果。

采用不同的拟合方法得到相同的结果,即,相同的实验数据将得到相同的拟合结果。

所以这两种方法的结果没有什么不同。可以通过估计的置信区间来实现对该方法的

评估,并且使用蒙特卡罗模拟来解决该问题。如图4所示,仿真结果表明,估算结果满

足正态分布,与理论分析一致。估算极化率的实验序列如图4(a)所示。激发光的强

度保持不变,这确保满足独立测量极化率的条件,即,在不改变初始极化率的情况下改

变检测光的强度。通过该方法,获得ODMR的极化率的绝对值。该结果表明最大极

化率为94.8%±0.2%,并且在反转后,获得的最小极化率为78.2%±0.2%。

一种固体缺陷色心的极化率检测系统及方法,装置采用内含固体缺陷色心作为敏感

元件,一个特征实施例为金刚石氮-空位色心材料,对样品进行操控,实现电子自旋的

极化。通过改变检测光(针对特征实施例金刚石氮-空位系统使用532nm激光)的光

强得到荧光数据,对该组数据进行数据分析,特征实施例为回归拟合分析,进而得到极

化率的拟合值。检测系统包括光源、偏振分束器、样品与其操控部分和信号采集与

数据处理部分;

所述的激发激光发生部分,包括光源1、第一光开关2、第一λ/2波片3、平面镜4、

偏振分束器(PBS)8、二向色镜12,其中光源1可使用但不限于532nm激光器,第一光

开关2可使用但不限于声光调制器(AOM),光源1产生连续激光,第一光开关2在脉

冲发生器17的控制下实现从连续光输入向脉冲光输出的转换,经过λ/2波片3变成

偏振光通过偏振分束器(PBS)8调节后续光路的光强。

所述的检测激光发生部分,包括检测光源5、第二光开关6、第二λ/2波片7,偏振分

束器(PBS)8、二向色镜12,其中检测光源5可使用但不限于532nm激光器,第二光开

关6可使用但不限于声光调制器(AOM),检测光源5产生连续激光,第二光开关6实

现从连续光输入向脉冲光输出的转换,偏振分束器(PBS)8产生功率可调的检测光,第

二光开关6在脉冲发生器17的控制下使连续将测光输入变为脉冲微波输出;

所述的荧光检测光路部分,包括光电敏感器件9、低通滤波器10、带孔的挡板11、

二向色镜12、物镜13,其中敏感元件可使用但不限于雪崩光电二极管(APD),样品发

出的荧光经二向色镜12通过带孔挡板11经低通滤波器10滤波被光电敏感器件9

接收;

所述的样品与其操控部分,包括金刚石样品14、样品架15、磁场发生装置等,其中,

样品架15可使用但不限于印刷电路板,金刚石样品14放置于样品架15上,磁场发生

装置提供实验过程中需要的磁场;

所述的信号采集与数据处理部分包括荧光收集部分和数据处理部分,其中荧光收集

部分用于实现荧光收集,数据处理部分利用主控制机16实现电信号的后续处理。

所述的固体缺陷色心的极化率检测系统,所述的脉冲发生器17,在主控制机16虚拟

仪器控制下进行脉冲的输出,从而控制第一光开关2、第二光开关6,虚拟仪器可使用

但不限于Labview软件。

所述的固体缺陷色心的极化率检测系统,所述的信号采集与数据处理部分,包括二向

色镜12、物镜13、光电敏感器件9、主控制机16,其中光电敏感器件9可以使用但

不限于PN结光电二极管,金刚石样品14受激发光作用会产生荧光,荧光经过物镜12、

带孔的挡板11、低通滤波器10进入光电敏感器件9,光电敏感器件9将光信号转换

为电信号后传输到主控制机16进行数据处理得到系统的转动参数。

本发明的一个实施例通过精确测量NV色心的电子极化和光泵浦速率的方法分析其

动态响应特性,从而实现系统极化率的检测。具体操作步骤的原理如下:

如图2所示,基态是S=1自旋三重态和轨道单线态3A2。在零磁场条件下,零场溢出

(Zgs)|m

s

=±1>和|m

s

=0>处于基态的2.87GHz。当分析电子的光学动态特征时,可以忽略由核自旋产生的

超精细结构。第一激发态是自旋三重态和轨道双重态3E,其精细结构包括|Exy>,其

中m

s

=0且|A1>,|A2>,|E12>,其中m

s

=±1。在低温条件下,激发态的精细能级彼此独立。然而,在室温下,声子跃迁导致

|A1>,|A2>和|E12>将其粒子分布到平均能量水平|4>小于纳秒。基态之间有两个S=0

单峰和兴奋状态1A和1E。1A单线态的寿命约为1ns,它会衰减到1E单线态,在室

温下寿命约为200ns。因此,可以忽略1A单线态。不同能级之间的泵送速率决定了

NV的光学动态特性。

在图2之后,三重态可以通过532nm激光泵浦到激发态,然后通过两条路径衰减:辐射

衰减到相同的ms基态并发射光子并且非辐射衰减到1A单线态。随着温度从4k上

升到室温,单线态的寿命从大约400ns到150ns。由于一般方法,参数通过

k51+k52=4.91MHz实验获得。

因此,如下建立速率方程用于定量分析:

其中,k

ij

表示能级i到j之间的泵浦速率,k

ji

表示能级j到i之间的泵浦速率,n

i

表示处于能级i的电子数,n

j

表示处于能级j的电子数。

对于一般参数估计,拟合函数是必要的。然而,对于的动态方程情况,很难获得具有参

数的特定函数。即使获得了这个特定的功能,这个功能的复杂形式使它不适合拟合。

因此,解决方案是对动态方程进行离散化,并在每个泵送速率和极化下获得每个时间

戳的数值解。因此,动态方程(1)将从变为:

其中,n

i

(t

k

)表示在t

k

时刻处于能级i的电子数,n

j

(t

k-1

)表示在t

k-1

时刻处于能级j的电子数,n

i

(t

k-1

)表示在t

k-1

时刻处于能级i的电子数,Δt表示离散的时间间隔。

最小二乘法是最小化残差平方和。它广泛用于回归分析和参数拟合。LSE的等式可

以如下所示:

其中μ是通过APD读出的实际荧光作为电压,因子β等于数值模拟的实际荧光分压

稳定值的稳定值。该参数表示实验系统的参数。这是上面提到的公式(2)。提出了

一种测量与物理系统无关的极化率的方法,因此也应该拟合该系数。然而,由于光强

度和泵浦速率之间的比例关系,拟合最佳光强度的方法意味着获得,其等于稳态光强

度除以对应于当前泵浦速率的稳态激发态。

另一种拟合方法是最大似然估计法。此方法是选择参数使得所选取的样本参数是所

有出现的样本中概率最高的,

最大似然估计的模型是

其中,Ρ表示系统检测的极化率,Г表示系统检测的光强,

为对应的估计值,x表示拟合的极化率。

对于单个测量点,荧光数据的分布满足正态分布,其概率密度函数(PDF)为:

其中x

tk

表示t

k

时刻的极化率,

表示t

k

时刻APD读出的荧光电压,η表示测的荧光电压的均值,σ

2

为荧光电压的方差。

对于整个单一荧光波形测量,由于每个单个测量点是独立且相同分布的,因此似然函

数可以是所有点的正交。其概率密度函数可以写成:

其中,fluo表示拟合的系统极化率参数。

如果采用先求得抽运率的方法,则估计方程(6)可以进一步简化为:

应理解,在本发明实施例中,上述各过程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,而不应对本发明实施例的实施过程构

成任何限定。

另外,本文中术语“和/或”,仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关

系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。

另外,本文中字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本领域普通技术人员可以意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元

及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明

硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成

及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和

设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述

的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为了描述的方便和简洁,上述描述的系统、

装置和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的系统、装置和方法,可以通过

其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,单元的划分,

仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件

可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另外,所显示

或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元

的间接耦合或通信连接,也可以是电的,机械的或其它的形式连接。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部

件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网

络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例

方案的目的。

另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各

个单元单独物理存在,也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成

的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技

术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,

这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以

权利要求的保护范围为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

2024年11月1日发(作者：孙平文)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.5

(22)申请日 2019.04.11

(71)申请人 北京航空航天大学

地址 100191 北京市海淀区学院路37号

(72)发明人 袁珩 刘禹辰 张冀星 陈禄 韩志强 姜尚韬

(74)专利代理机构 北京科迪生专利代理有限责任公司

代理人 杨学明

(51)

(10)申请公布号 CN 109916872 A

(43)申请公布日 2019.06.21

权利要求说明书 说明书 幅图

(54)发明名称

一种固体缺陷色心极化率检测系统

及方法

(57)摘要

本发明公开了一种固体缺陷色心极

化率检测系统与方法。本发明的一个实施

例采用内含高浓度NV色心的金刚石材料

作为敏感元件，对样品进行操控，实现电

子自旋的极化，通过光学偏振脉冲以及最

佳的脉冲自旋投影检测方法，从而实现极

化率的测量。相比于检测自旋相关的荧光

强度、单态红外吸收检测以及电流检测等

方法，本发明提出了一种精确测量固体缺

陷色心的电子极化和光泵浦速率的方法，

大幅度提高了信噪比，弛豫时间大幅缩

短，对于分析基于量子原理的磁场测量系

统性能方面具有重要的应用价值，将服务

于传感测量及控制反馈等工程实践中。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:系统采用内含固体缺陷色心作为

敏感元件,对样品进行操控,实现电子自旋的极化;通过改变检测光的光强得到荧光数

据,对该组数据进行数据分析,进而得到极化率的拟合值;检测系统包括激发激光发生

部分、检测激光发生部分、荧光检测光路部分、样品与其操控部分和信号采集与数

据处理部分。

2.根据权利要求1所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述的激发激

光发生部分包括光源(1)、第一光开关(2)、第一λ/2波片(3)、平面镜(4)、偏振分束

器(PBS)(8)、二向色镜(12),其中光源(1)可使用但不限于532nm激光器,第一光开关

(2)可使用但不限于声光调制器(AOM),光源(1)产生连续激光,第一光开关(2)在脉冲发

生器(17)的控制下实现从连续光输入向脉冲光输出的转换,经过第一λ/2波片(3)变成

偏振光通过偏振分束器(PBS)(8)调节后续光路的光强;所述的检测激光发生部分包括

检测光源(5)、第二光开关(6)、第二λ/2波片(7),偏振分束器(PBS)(8)、二向色镜(12),

其中检测光源(5)可使用但不限于532nm激光器,第二光开关(6)可使用但不限于声光

调制器(AOM),检测光源(5)产生连续激光,第二光开关(6)实现从连续光输入向脉冲光

输出的转换,偏振分束器(PBS)(8)产生功率可调的检测光,第二光开关(6)在脉冲发生

器(17)的控制下使连续将测光输入变为脉冲微波输出。

3.根据权利要求1所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述的荧光检

测光路部分,包括光电敏感器件(9)、低通滤波器(10)、带孔的挡板(11)、二向色镜

(12)、物镜(13),其中敏感元件可使用但不限于雪崩光电二极管(APD),样品发出的荧

光经二向色镜(12)通过带孔挡板(11)经低通滤波器(10)滤波被光电敏感器件(9)接收。

4.根据权利要求1所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述的样品与

其操控部分,包括金刚石样品(14)、样品架(15)、磁场发生装置,其中,样品架(15)可使

用但不限于印刷电路板,金刚石样品(14)放置于样品架(15)上,磁场发生装置提供实验

过程中需要的磁场。

5.根据权利要求1所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述的信号采

集与数据处理部分包括荧光收集部分和数据处理部分,其中荧光收集部分用于实现

荧光收集,数据处理部分利用主控制机(16)实现电信号的后续处理。

6.根据权利要求1-5任一项所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述

的脉冲发生器(17),在主控制机(16)虚拟仪器控制下进行脉冲的输出,从而控制第一光

开关(2)、第二光开关(6),虚拟仪器可使用但不限于Labview软件。

7.根据权利要求1-5任一项所述的固体缺陷色心极化率检测系统,其特征在于:所述

的信号采集与数据处理部分,包括二向色镜(12)、物镜(13)、光电敏感器件(9)、主控

制机(16),其中光电敏感器件(9)可以使用但不限于PN结光电二极管,金刚石样品(14)

受激发光作用会产生荧光,荧光经过二向色镜(12)、带孔的挡板(11)、低通滤波器(10)

进入光电敏感器件(9),光电敏感器件(9)将光信号转换为电信号后传输到主控制机(16)

进行数据处理得到系统的转动参数。

8.一种固体缺陷色心极化率检测方法,利用权利要求1-7任一项所述的固体缺陷色心

极化率检测系统,其特征在于:该方法使用时按照以下时序完成一次极化率参数的测

量:

步骤100、对样品进行操控,实现固体缺陷色心电子自旋极化;

步骤110、对样品施加检测激光,改变检测激光光强,得到一组荧光脉冲数据;

步骤120、对荧光脉冲数据进行极大似然估计或最小方差估计,得到一组极化率Ρ

和光强Г的拟合值;

步骤130、对这组极化率Ρ和光强Г的拟合值进行极大似然估计或最小方差估计,

得到系统的极化率参。

9.根据权利要求8所述的一种固体缺陷色心极化率检测方法,其特征在于:步骤110

中改变光强的方法可以使用但不限于使用电动框架程序来控制λ/2波片以及使用

PBS偏光分束器。

10.根据权利要求8所述的一种固体缺陷色心极化率检测方法,其特征在于:步骤120

以及步骤130中数据分析,特征实施例为回归拟合分析和参数拟合方法可以使用但

不限于最小二乘法和极大似然估计法。

说 明 书

技术领域

本发明涉及量子计算、量子精密测量技术领域,尤其涉及一种固体缺陷色心极化率

检测系统及方法。

背景技术

作为固体自旋系统,NV色心被认为是一种很有前途的量子传感器,在量子传感和量

子计算方面具有很大的应用潜力。为了实现相关的量子应用,需要进行量子自旋的

操纵和检测。目前主要的自旋检测方法是检测自旋相关的荧光强度,还有单态红外

吸收检测和电流检测方法。上述方法集中于操作后极化率值的相对变化,它表明极

化率处于最大值和最小值之间的某个位置,或者变化量。然而,具体的极化率是多少,

通过这些方法不能获得极化率的具体值。该值在分析系统性能方面具有重要的应用

价值,因此测量极化率的真实值具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题为:精确确测量固体缺陷色心的极化率,实现检测信噪比提

升。

根据本发明的一个实施例,提供了一种固体缺陷色心的极化率检测系统及方法,包括:

一种固体缺陷色心的极化率检测系统,装置采用内含固体缺陷色心作为敏感元件,一

个特征实施例为金刚石氮-空位色心材料,对样品进行操控,实现电子自旋的极化。通

过改变检测光(针对特征实施例金刚石氮-空位系统使用532nm激光)的光强得到荧

光数据,对该组数据进行数据分析,特征实施例为回归拟合分析,进而得到极化率的拟

合值。检测系统包括激发激光发生部分、检测激光发生部分、荧光检测光路部分、

样品与其操控部分和信号采集与数据处理部分。

所述的激发激光发生部分,包括光源1、第一光开关2、第一λ/2波片3、平面镜4、

第一偏振分束器(PBS)8、第一二向色镜12,其中光源1可使用但不限于532nm激光

器,第一光开关2可使用但不限于声光调制器(AOM),光源1产生连续激光,第一光开

关2在脉冲发生器17的控制下实现从连续光输入向脉冲光输出的转换,经过第一

λ/2波片3变成偏振光通过偏振分束器(PBS)8调节后续光路的光强。所述的检测激

光发生部分,包括检测光源5、第二光开关6、第二λ/2波片7,偏振分束器(PBS)8、

二向色镜12,其中检测光源5可使用但不限于532nm激光器,第二光开关6可使用但

不限于声光调制器(AOM),检测光源5产生连续激光,第二光开关6实现从连续光输

入向脉冲光输出的转换,偏振分束器(PBS)8产生功率可调的检测光,第二光开关6在

脉冲发生器17的控制下使连续将测光输入变为脉冲微波输出;

所述的荧光检测光路部分,包括光电敏感器件9、低通滤波器10、带孔的挡板11、

二向色镜12、物镜13,其中敏感元件可使用但不限于雪崩光电二极管(APD),样品发

出的荧光经二向色镜12通过带孔挡板11经低通滤波器10滤波被光电敏感器件9

接收;

所述的样品与其操控部分,包括金刚石样品14、样品架15、磁场发生装置,其中,样

品架15可使用但不限于印刷电路板,金刚石样品14放置于样品架15上,磁场发生装

置提供实验过程中需要的磁场;

所述的信号采集与数据处理部分包括荧光收集部分和数据处理部分,其中荧光收集

部分用于实现荧光收集,数据处理部分利用主控制机16实现电信号的后续处理。

所述的固体缺陷色心的极化率检测系统,所述的脉冲发生器17,在主控制机16虚拟

仪器控制下进行脉冲的输出,从而控制第一光开关2、第二光开关6,虚拟仪器可使用

但不限于Labview软件。

所述的固体缺陷色心的极化率检测系统,所述的信号采集与数据处理部分,包括二向

色镜12、物镜13、光电敏感器件9、主控制机16,其中光电敏感器件9可以使用但

不限于PN结光电二极管,金刚石样品14受激发光作用会产生荧光,荧光经过物镜12、

带孔的挡板11、低通滤波器10进入光电敏感器件9,光电敏感器件9将光信号转换

为电信号后传输到主控制机16进行数据处理得到系统的转动参数。

一种固体缺陷色心的极化率检测方法,利用所述的固体缺陷色心的极化率检测系统,

使用时按照以下时序完成一次极化率参数的测量:

步骤100、对样品进行操控,实现固体缺陷色心电子自旋极化;

步骤110、对样品施加检测激光,改变检测激光光强,得到一组荧光脉冲数据;

步骤120、对荧光脉冲数据进行极大似然估计或最小方差估计,得到一组极化率Ρ

和光强Г的拟合值;

步骤130、对这组极化率Ρ和光强Г的拟合值进行极大似然估计或最小方差估计,

得到系统的极化率参数;

其中,步骤110中改变光强的方法可以使用但不限于使用电动框架程序来控制λ/2波

片以及使用PBS偏光分束器。

其中,步骤120以及步骤130中数据分析,特征实施例为回归拟合分析和参数拟合方

法可以使用但不限于最小二乘法和极大似然估计法。

本发明与现有技术相比的优点在于:

本发明相比于检测自旋相关的荧光强度、单态红外吸收检测以及电流检测等方法,

通过对多组荧光数据进行拟合分析,得到固体缺陷色心材料极化率的拟合值,然后对

该组拟合值进行回归分析,得到系统的极化率参数。从而实现精确测量固体缺陷色

心的电子极化和光泵浦速率,大幅度提高了信噪比,弛豫时间大幅缩短,对于分析基于

量子原理的磁场测量系统性能方面具有重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测方法的流程

图;

图2为零磁场下NV色心能级结构示意图;

图3为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测系统图;

图4为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的技术方案以及优点表达的更清楚,下面通过附图和实施例,对本

发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测方法的流程

图,图3为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测系统图,

图4为本发明一个实施例提供的一种基于金刚石NV色心的极化率检测结果图,如

图1、图3、图4所示,该方法可包括:

步骤100、对样品进行操控,实现NV色心电子自旋极化;

步骤110、对样品施加检测激光,改变检测激光光强,得到一组荧光脉冲数据;

可选地,步骤110中改变光强的方法可以使用但不限于使用电动框架程序来控制λ/2

波片以及使用PBS偏光分束器;

光功率确定方法如下:由于的激光强度是固定的,改变光功率的方式是使用电动框架

程序来控制λ/2波片,用PBS作为重点。首先使用光功率计来获得旋转角度和光功

率之间的关系,然后使用APD来获得旋转角度和稳态荧光强度之间的关系。通过这

种方式,可以消除旋转角度,并获得稳态光强度和光功率之间的关系进而获得光功率。

步骤120、对荧光脉冲数据进行极大似然估计或最小方差估计,得到一组极化率Ρ

和光强Г的拟合值;

可选地,步骤120中回归分析和参数拟合方法可以使用但不限于最小二乘法和极大

似然估计法;

步骤130、对这组极化率Ρ和光强Г的拟合值进行极大似然估计或最小方差估计,

得到系统的极化率参数;

可选地,步骤130中回归分析和参数拟合方法可以使用但不限于最小二乘法和极大

似然估计法;

对于线性模型,最小二乘法可以确保估计是无偏估计和最小方差估计。然而,对于非

线性函数的光学动态方法,不能保证无偏性。为了确保估计的正确性,根据定理可以

保证的最小二乘法估计将无限接近真值,只要观察足够,无论该估计是否是无偏的,都

可以得到一致的估计结果。

采用不同的拟合方法得到相同的结果,即,相同的实验数据将得到相同的拟合结果。

所以这两种方法的结果没有什么不同。可以通过估计的置信区间来实现对该方法的

评估,并且使用蒙特卡罗模拟来解决该问题。如图4所示,仿真结果表明,估算结果满

足正态分布,与理论分析一致。估算极化率的实验序列如图4(a)所示。激发光的强

度保持不变,这确保满足独立测量极化率的条件,即,在不改变初始极化率的情况下改

变检测光的强度。通过该方法,获得ODMR的极化率的绝对值。该结果表明最大极

化率为94.8%±0.2%,并且在反转后,获得的最小极化率为78.2%±0.2%。

一种固体缺陷色心的极化率检测系统及方法,装置采用内含固体缺陷色心作为敏感

元件,一个特征实施例为金刚石氮-空位色心材料,对样品进行操控,实现电子自旋的

极化。通过改变检测光(针对特征实施例金刚石氮-空位系统使用532nm激光)的光

强得到荧光数据,对该组数据进行数据分析,特征实施例为回归拟合分析,进而得到极

化率的拟合值。检测系统包括光源、偏振分束器、样品与其操控部分和信号采集与

数据处理部分;

所述的激发激光发生部分,包括光源1、第一光开关2、第一λ/2波片3、平面镜4、

偏振分束器(PBS)8、二向色镜12,其中光源1可使用但不限于532nm激光器,第一光

开关2可使用但不限于声光调制器(AOM),光源1产生连续激光,第一光开关2在脉

冲发生器17的控制下实现从连续光输入向脉冲光输出的转换,经过λ/2波片3变成

偏振光通过偏振分束器(PBS)8调节后续光路的光强。

所述的检测激光发生部分,包括检测光源5、第二光开关6、第二λ/2波片7,偏振分

束器(PBS)8、二向色镜12,其中检测光源5可使用但不限于532nm激光器,第二光开

关6可使用但不限于声光调制器(AOM),检测光源5产生连续激光,第二光开关6实

现从连续光输入向脉冲光输出的转换,偏振分束器(PBS)8产生功率可调的检测光,第

二光开关6在脉冲发生器17的控制下使连续将测光输入变为脉冲微波输出;

所述的荧光检测光路部分,包括光电敏感器件9、低通滤波器10、带孔的挡板11、

二向色镜12、物镜13,其中敏感元件可使用但不限于雪崩光电二极管(APD),样品发

出的荧光经二向色镜12通过带孔挡板11经低通滤波器10滤波被光电敏感器件9

接收;

所述的样品与其操控部分,包括金刚石样品14、样品架15、磁场发生装置等,其中,

样品架15可使用但不限于印刷电路板,金刚石样品14放置于样品架15上,磁场发生

装置提供实验过程中需要的磁场;

所述的信号采集与数据处理部分包括荧光收集部分和数据处理部分,其中荧光收集

部分用于实现荧光收集,数据处理部分利用主控制机16实现电信号的后续处理。

所述的固体缺陷色心的极化率检测系统,所述的脉冲发生器17,在主控制机16虚拟

仪器控制下进行脉冲的输出,从而控制第一光开关2、第二光开关6,虚拟仪器可使用

但不限于Labview软件。

所述的固体缺陷色心的极化率检测系统,所述的信号采集与数据处理部分,包括二向

色镜12、物镜13、光电敏感器件9、主控制机16,其中光电敏感器件9可以使用但

不限于PN结光电二极管,金刚石样品14受激发光作用会产生荧光,荧光经过物镜12、

带孔的挡板11、低通滤波器10进入光电敏感器件9,光电敏感器件9将光信号转换

为电信号后传输到主控制机16进行数据处理得到系统的转动参数。

本发明的一个实施例通过精确测量NV色心的电子极化和光泵浦速率的方法分析其

动态响应特性,从而实现系统极化率的检测。具体操作步骤的原理如下:

如图2所示,基态是S=1自旋三重态和轨道单线态3A2。在零磁场条件下,零场溢出

(Zgs)|m

s

=±1>和|m

s

=0>处于基态的2.87GHz。当分析电子的光学动态特征时,可以忽略由核自旋产生的

超精细结构。第一激发态是自旋三重态和轨道双重态3E,其精细结构包括|Exy>,其

中m

s

=0且|A1>,|A2>,|E12>,其中m

s

=±1。在低温条件下,激发态的精细能级彼此独立。然而,在室温下,声子跃迁导致

|A1>,|A2>和|E12>将其粒子分布到平均能量水平|4>小于纳秒。基态之间有两个S=0

单峰和兴奋状态1A和1E。1A单线态的寿命约为1ns,它会衰减到1E单线态,在室

温下寿命约为200ns。因此,可以忽略1A单线态。不同能级之间的泵送速率决定了

NV的光学动态特性。

在图2之后,三重态可以通过532nm激光泵浦到激发态,然后通过两条路径衰减:辐射

衰减到相同的ms基态并发射光子并且非辐射衰减到1A单线态。随着温度从4k上

升到室温,单线态的寿命从大约400ns到150ns。由于一般方法,参数通过

k51+k52=4.91MHz实验获得。

因此,如下建立速率方程用于定量分析:

其中,k

ij

表示能级i到j之间的泵浦速率,k

ji

表示能级j到i之间的泵浦速率,n

i

表示处于能级i的电子数,n

j

表示处于能级j的电子数。

对于一般参数估计,拟合函数是必要的。然而,对于的动态方程情况,很难获得具有参

数的特定函数。即使获得了这个特定的功能,这个功能的复杂形式使它不适合拟合。

因此,解决方案是对动态方程进行离散化,并在每个泵送速率和极化下获得每个时间

戳的数值解。因此,动态方程(1)将从变为:

其中,n

i

(t

k

)表示在t

k

时刻处于能级i的电子数,n

j

(t

k-1

)表示在t

k-1

时刻处于能级j的电子数,n

i

(t

k-1

)表示在t

k-1

时刻处于能级i的电子数,Δt表示离散的时间间隔。

最小二乘法是最小化残差平方和。它广泛用于回归分析和参数拟合。LSE的等式可

以如下所示:

其中μ是通过APD读出的实际荧光作为电压,因子β等于数值模拟的实际荧光分压

稳定值的稳定值。该参数表示实验系统的参数。这是上面提到的公式(2)。提出了

一种测量与物理系统无关的极化率的方法,因此也应该拟合该系数。然而,由于光强

度和泵浦速率之间的比例关系,拟合最佳光强度的方法意味着获得,其等于稳态光强

度除以对应于当前泵浦速率的稳态激发态。

另一种拟合方法是最大似然估计法。此方法是选择参数使得所选取的样本参数是所

有出现的样本中概率最高的,

最大似然估计的模型是

其中,Ρ表示系统检测的极化率,Г表示系统检测的光强,

为对应的估计值,x表示拟合的极化率。

对于单个测量点,荧光数据的分布满足正态分布,其概率密度函数(PDF)为:

其中x

tk

表示t

k

时刻的极化率,

表示t

k

时刻APD读出的荧光电压,η表示测的荧光电压的均值,σ

2

为荧光电压的方差。

对于整个单一荧光波形测量,由于每个单个测量点是独立且相同分布的,因此似然函

数可以是所有点的正交。其概率密度函数可以写成:

其中,fluo表示拟合的系统极化率参数。

如果采用先求得抽运率的方法,则估计方程(6)可以进一步简化为:

应理解,在本发明实施例中,上述各过程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,而不应对本发明实施例的实施过程构

成任何限定。

另外,本文中术语“和/或”,仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关

系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。

另外,本文中字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本领域普通技术人员可以意识到,结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元

及算法步骤,能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现,为了清楚地说明

硬件和软件的可互换性,在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成

及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和

设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述

的功能,但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到,为了描述的方便和简洁,上述描述的系统、

装置和单元的具体工作过程,可以参考前述方法实施例中的对应过程,在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的系统、装置和方法,可以通过

其它的方式实现。例如,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,例如,单元的划分,

仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,例如多个单元或组件

可以结合或者可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另外,所显示

或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元

的间接耦合或通信连接,也可以是电的,机械的或其它的形式连接。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部

件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网

络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例

方案的目的。

另外,在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中,也可以是各

个单元单独物理存在,也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成

的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技

术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到各种等效的修改或替换,

这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以

权利要求的保护范围为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。