金刚石薄膜荧光高效收集装置

技术领域

本发明涉及一种金刚石薄膜荧光高效收集装置，属于荧光探测技术领域。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，磁场测量技术的进展和应用越来越受到人们的关注。一些新的物理效应的发现、新技术的突破，使磁场测量装置的性能有了很大提升。当前主要的用于微小尺度上的磁场测量的方法包括超导量子干涉仪、扫描霍尔探针显微镜、磁力显微镜（MFM）、磁力共振显微镜（MRFM）等，理论上的空间和磁场分辨率限制超过了上述技术，但是其在环境条件下的固有操作和低外部磁场是领先的。

进一步，将NV色心磁测量技术和扫描成像技术结合起来，通过探测固定的NV四面体的四个对称轴方向的共振跃迁来提取局部磁场矢量，使用金刚石中的NV色心来对磁性结构周围磁场成像。含有NV色心的金刚石探针通过AFM系统可以对样品进行逐点扫描，定量的获取样品表面的磁场大小信息，构造了局部磁场向量的二维图像，并能够在小于50G的外部场中和环境条件下进行的测量。

近些年金刚石NV色心的研究在量子传感领域开辟了无限的可能性，使用NV中心作为接近磁力计的早期实验显示出可喜的结果，但在磁探测技术以及光路搭建的过程中，如何高效的收集金刚石薄膜激发的红色荧光，从而更加准确地测量磁场依然是个问题。

发明内容

为了解决现有磁探测技术以及光路搭建的过程中，如何高效的收集金刚石薄膜激发的红色荧光，从而更加准确地测量磁场问题，本发明提供一种金刚石薄膜荧光高效收集装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种金刚石薄膜荧光高效收集装置包括激光器、计算机，所述激光器发射绿色激光，绿色激光通过光纤耦合器耦合进光纤中，再经过双色片传输至光纤探头末端；所述光纤探头末端的底部固定设置有金刚石薄膜；微波天线均匀缠绕在所述光纤探头末端，微波器的微波信号通过微波天线作用于金刚石薄膜的NV色心上；所述金刚石薄膜的下方设置有磁铁，磁铁施加磁场于金刚石薄膜的NV色心。

所述激光器发射532nm绿色激光通过光纤耦合器耦合进光纤中，再经过双色片传输到光纤探头末端作用于金刚石薄膜的NV色心上。

所述金刚石薄膜的NV色心激发后产生的荧光经过双色片、滤波片之后被CCD相机收集；所述CCD相机输出信号作为锁相放大器的输入信号。

所述微波器的射频信号作为锁相放大器的参考信号，锁相放大器的输出信号接入计算机。

所述计算机调控微波器产生微波，并通过微波天线作用于金刚石薄膜的NV色心。

所述金刚石薄膜的表面镀有增透膜。

本发明的有益效果是，

1、金刚石作为主要的传感部件，实现对狭小空间和厘米量级样品的快速扫描磁成像，且在室温下保持微米尺度的成像分辨率；

2、通过将金刚石薄膜粘贴在光纤末端底部的结构设计，利用电磁波在光纤中的全反射将激光限制在光纤中，从而将光纤传输衰减降低，以高效收集金刚石薄膜NV色心激发的红色荧光；

3、优化金刚石薄膜的NV色心浓度以及自旋性质，提高温度测量的灵敏度，为更高精度的温度测量提供了充分方案。

附图说明

图1是本发明金刚石薄膜荧光高效收集装置的光路示意图。

图2是本发明中金刚石薄膜背面的微波天线结构示意图。

图中：1.激光器，2.光纤耦合头，3.双色片，4.光纤探头末端，5.金刚石薄膜，6.磁铁，7.微波器，8.滤波器，9.CCD相机，10.计算机，11.微波天线，12.锁相放大器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。

参见附图1-2。本发明金刚石薄膜荧光高效收集装置，包括激光器1、光纤耦合头2、双色片3、光纤探头末端4、金刚石薄膜5、磁铁6、微波器7、滤波器8、CCD相机9、计算机10、微波天线11、锁相放大器12，所述激光器1发射绿色激光，绿色激光通过光纤耦合器2耦合进光纤中，再经过双色片3传输至光纤探头末端4。

所述金刚石薄膜5固定设置在光纤探头末端4的底部，通常采用粘贴方式均匀的粘在光纤探头末端4的底部，金刚石薄膜5的NV色心辐射的红色荧光被限制在光纤之中。

所述微波天线11均匀缠绕在光纤探头末端4，微波器7的微波信号通过微波天线11作用于金刚石薄膜5的NV色心上，微波信号用于NV色心自旋态的调控。

所述金刚石薄膜5的下方设置有磁铁6，磁铁6施加磁场于金刚石薄膜5的NV色心。

所述金刚石薄膜荧光高效收集装置的光路系统为，激光器1发射532nm绿色激光通过光纤耦合器2耦合进光纤中，再经过双色片3传输到光纤探头末端4作用于金刚石薄膜5的NV色心上；所述金刚石薄膜5的NV色心激发后产生的荧光经过双色片3、滤波片8之后被CCD相机9收集。

所述CCD相机9输出信号作为锁相放大器12的输入信号；

所述微波器7的射频信号作为锁相放大器12的参考信号，锁相放大器7的输出信号接入计算机10。

所述计算机10调控微波器7产生微波，并通过微波天线11作用于金刚石薄膜5的NV色心。微波器7在产生频率调制的微波同时，输出的射频信号作为锁相放大器12的参考信号；调制的微波信号对NV色心辐射的荧光进行调制。NV色心发射的荧光被CCD相机接收发出电信号，并作为锁相放大器12的输入信号；之后对微波频率进行扫描，并且记录输出信号，从而得到ODMR谱。

进一步，所述金刚石薄膜5的表面镀有增透膜，用于较少激光和荧光在激发和收集过程中的反射，从而实现高效的收集荧光。

本发明金刚石薄膜荧光高效收集装置，以金刚石薄膜中的NV色心为核心元件，通过将激光器激发出的激光耦合进光纤中，利用光波导原理使NV色心激发的红色荧光被局限在光纤及其周围有限区域内传播，从而提高了检测器信号的收集效率。利用光学探测磁共振的原理，金刚石薄膜在激光和微波的共同作用下，发射的荧光随着外界磁场变化而变化，同时采用CCD相机对金刚石薄膜发射的荧光进行收集，可以探测大范围的荧光变化，根据荧光变化就可以计算出外界磁场的变化。本发明将空间光耦合到光纤中，并将金刚石薄膜均匀的粘在光纤底部，形成光波导结构；将微波天线缠绕在光纤探头末端，通过微波天线来调整金刚石NV色心的自旋，从而提高激发效率。

本发明设计合理，将激光耦合进光纤中，并将金刚石薄膜粘在光纤的末端，利用光波导原理使NV色心激发的红色荧光被局限在光纤及其周围有限区域内传播，从而提高检测器信号的收集效率。

本发明使用光纤传感的方式替代空间光传感，实现高效率荧光收集。空间光传感会因光路中的漫反射和散射现象造成激发光和收集光的无谓损失，最终导致收集效率较低。采用光纤传感的方式，将激光限制在光纤中，减少激光在传播过程中的消耗，最终提高荧光的收集效率。

应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。