基于微波调制参数优化机理的磁强计灵敏度提高方法
发布时间：2021-03-23 07:00
基于金刚石氮空位（NV）色心的磁强计,其磁场检测的灵敏度与光探测磁共振（ODMR）的解调曲线最大斜率的倒数呈正比,而解调曲线的斜率主要取决于系统的微波调制参数。对磁强计的灵敏度与微波调制幅值和调制相位之间的关系进行了研究。首先介绍了金刚石NV色心的能级结构,根据其磁检测原理,采用基于微波频率调制解调的ODMR技术来检测外部微弱磁场。然后介绍了微波调制参数优化机理模型。最后对NV色心磁强计系统的微波调制幅值和调制相位进行了测试。测试结果表明,当调制幅值为5.55 V、调制相位为85°或258°时,解调曲线的斜率为5.1 V/MHz,相比于未优化前（1.1 V/MHz）提高了约4.6倍。散粒噪声限制的磁强计的灵敏度约为0.9 nT/Hz1/2(未优化前约为4.0 nT/Hz1/2,理论计算结果约为0.3 nT/Hz1/2)。
【文章来源】：微纳电子技术. 2020,57(09)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
金刚石NV色心的能级结构和实验样品及C3V对称结构
实验装置原理图如图2所示，磁强计主要使用了调制解调技术和基于微波频率的比例积分微分控制器（PID）闭环锁定技术。微波源（型号为KEYSIGHT MXG Analog Signal Generator N5183B，频率为9 kHz～40 GHz）产生频率为fLO的微波信号，该微波信号的功率为7 dBm，用2 MHz的调制深度和最优的调制频率fref≈18 kHz[16]的正弦调制信号Sref调制微波信号，调制后的微波信号频率为fmod，并将调制后的微波信号传输到靠近金刚石的环形微波天线。图2中Mout为外界施加的微弱磁场的磁感应强度，Scw为ODMR信号，SLI为解调信号。在沿NV轴施加约3 mT偏置磁场的同时，用波长532 nm、功率为50 mW的激光器（型号为CL532-100-SO）发出的绿色激光激发金刚石。在微波、磁场和激光的共同作用下，金刚石NV色心将发出红色荧光。当使用光电探测器（PD，型号为Thorlabs公司生产，型号为PDA100A-EC）检测红色荧光时，首先需要使用滤光片将波长532 nm的绿光滤除，然后使用聚光镜组汇聚波长638～800 nm的红色荧光。
按照图2所示的实验装置原理框图搭建实验平台进行实验。沿着NV轴（实验中对应于金刚石的〈111〉晶向）施加约3 mT的偏置磁场，此时将有两对ODMR峰，测量所得的ODMR信号Scw曲线及其解调信号SLI曲线信号如图3所示，其中红色的ODMR曲线经过归一化处理，方便得出ODMR信号的对比度（C=≈6.65%，ΔV为Scw的最大电压值Vmax与最小电压值差值Vmin的绝对值）。本文使用谐振频率为2.717 GHz的ODMR谱进行传感，该谱线的对比度约为6.65%、半高全宽约为16.5 MHz，未优化前解调曲线的斜率为1.1 V/MHz。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于金刚石NV色心磁传感器微波调制频率优化的高灵敏度磁传感方法[J]. 张卫东,邓胜礼,郭浩,唐军. 微纳电子技术. 2020(03)
[2]一种基于金刚石NV色心系综的磁力计[J]. 赵彬彬,郭浩,赵锐,唐军,刘俊. 微纳电子技术. 2019(03)
[3]金刚石NV色心磁力计极限灵敏度优化方法[J]. 赵锐,赵彬彬,王磊,郭浩,唐军,刘俊. 微纳电子技术. 2018(09)
[4]Optimizing ultrasensitive single electron magnetometer based on nitrogen-vacancy center in diamond[J]. WANG PengFei,JU ChenYong,SHI FaZhan,DU JiangFeng. Chinese Science Bulletin. 2013(24)
本文编号：3095371
【文章来源】：微纳电子技术. 2020,57(09)北大核心
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
金刚石NV色心的能级结构和实验样品及C3V对称结构
实验装置原理图如图2所示，磁强计主要使用了调制解调技术和基于微波频率的比例积分微分控制器（PID）闭环锁定技术。微波源（型号为KEYSIGHT MXG Analog Signal Generator N5183B，频率为9 kHz～40 GHz）产生频率为fLO的微波信号，该微波信号的功率为7 dBm，用2 MHz的调制深度和最优的调制频率fref≈18 kHz[16]的正弦调制信号Sref调制微波信号，调制后的微波信号频率为fmod，并将调制后的微波信号传输到靠近金刚石的环形微波天线。图2中Mout为外界施加的微弱磁场的磁感应强度，Scw为ODMR信号，SLI为解调信号。在沿NV轴施加约3 mT偏置磁场的同时，用波长532 nm、功率为50 mW的激光器（型号为CL532-100-SO）发出的绿色激光激发金刚石。在微波、磁场和激光的共同作用下，金刚石NV色心将发出红色荧光。当使用光电探测器（PD，型号为Thorlabs公司生产，型号为PDA100A-EC）检测红色荧光时，首先需要使用滤光片将波长532 nm的绿光滤除，然后使用聚光镜组汇聚波长638～800 nm的红色荧光。
按照图2所示的实验装置原理框图搭建实验平台进行实验。沿着NV轴（实验中对应于金刚石的〈111〉晶向）施加约3 mT的偏置磁场，此时将有两对ODMR峰，测量所得的ODMR信号Scw曲线及其解调信号SLI曲线信号如图3所示，其中红色的ODMR曲线经过归一化处理，方便得出ODMR信号的对比度（C=≈6.65%，ΔV为Scw的最大电压值Vmax与最小电压值差值Vmin的绝对值）。本文使用谐振频率为2.717 GHz的ODMR谱进行传感，该谱线的对比度约为6.65%、半高全宽约为16.5 MHz，未优化前解调曲线的斜率为1.1 V/MHz。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于金刚石NV色心磁传感器微波调制频率优化的高灵敏度磁传感方法[J]. 张卫东,邓胜礼,郭浩,唐军. 微纳电子技术. 2020(03)
[2]一种基于金刚石NV色心系综的磁力计[J]. 赵彬彬,郭浩,赵锐,唐军,刘俊. 微纳电子技术. 2019(03)
[3]金刚石NV色心磁力计极限灵敏度优化方法[J]. 赵锐,赵彬彬,王磊,郭浩,唐军,刘俊. 微纳电子技术. 2018(09)
[4]Optimizing ultrasensitive single electron magnetometer based on nitrogen-vacancy center in diamond[J]. WANG PengFei,JU ChenYong,SHI FaZhan,DU JiangFeng. Chinese Science Bulletin. 2013(24)
本文编号：3095371
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