量子微波磁场探测与成像系统及其应用研究
发布时间：2021-08-20 06:44
在自然界的金刚石中有一种由氮-空位（Nitrogen-Vacancy）形成的缺陷,这种缺陷在捕获一个自由电子以后形成的缺陷叫做(1-中心,因为带这种缺陷的金刚石呈现出红色,因此简称为NV色心。NV色心具备优良的光学特性,是一种性能优异的单光子源,在室温下有良好的电子自旋特性,因此NV色心广泛应用于量子计量、量子信息处理（QIP）和量子磁场探测与成像。本文主要研究基于金刚石NV色心的量子微波磁场探测与成像系统,探索基于金刚石NV色心磁光效应的矢量微波场重构和成像方法,并研究该系统在电磁兼容领域的应用。本文利用金刚石NV色心优异的量子光学性能,重点从提升系统的探测效率、提升系统探测灵敏度,拓展系统的探测频率,三个角度入手开展量子微波场成像系统的研究。主要研究内容如下:1、在提升系统的探测效率方面,本文探索了基于CCD相机和富含NV色心的金刚石薄膜的宽视场快速微波场成像方法。研究了基于科勒照明实现快速微波场成像的方法,采用多通道脉冲发生器同步CCD、激光开关、微波开关和微波源。采用参考帧和图像帧之间的差分测量方法,降低了测量噪声;每帧集成N个重复序列进一步提高了信噪比。...
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)SQUID超导量子干涉设备随着高温超导薄膜技术的发展，外延生长
南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论6超精细能级跃迁对窄带微波频率比较敏感，这种现象称为磁共振。通过使用直流（DirectCurrent，DC）磁场，可以调节超精细能级之间的分裂程度，进而实现对磁共振频率的动态调节。这就相当于收音机的调频功能，因此利用这种特性可以实现对很宽频带的微波场的高灵敏度探测[21]。图1.3(a)87Rb在外磁场下基态能带分裂图(b)微米级铷VaporCell的微装配工艺要实现高分辨率的微波成像，还需要制备微米甚至纳米尺寸的铷蒸汽小室微波探头。如图1.3(b)所示，一种制备微米级的铷蒸汽小室微波探头的方法是采用维纳加工工艺在2000um宽的硅晶圆上，通过深反应离子刻蚀（DeepReactiveIonEtching，DRIE）技术刻出500um宽的空腔。然后通过静电键合技术将晶圆与玻璃基板键合在一起，然后将带玻璃衬底的空腔单独剥离出来[21]。由于87Rb在常温下很容易汽化，因此将87Rb蒸汽填充到该空腔内，87Rb原子沉积到玻璃衬底上，同时将氩气和氮气（Ar-N2）的混合气体作为保护气体注入到整个腔室内部。完成以后，最后将一个玻璃盖子通过静电键合技术将蒸汽小室密封起来，由于此时腔体内充满了背景气体，因此静电键合时需适当控制键合电压，以免发生气体击穿放电。通过调整激光的焦点到沉积到玻璃衬底的87Rb原子上，并通过光学方法将87Rb原子的量子态信息读出来，可以实现较高分辨率的微波场成像。典型的碱金属VaporCell测试系统的原理图如图1.4(a)所示，在上下两个电控磁铁之间放置了一个蒸汽VaporCell小室[20]，其中填充了87Rb原子，并将氮气作为缓冲气体。该系统使用780nm波长，沿磁场方向线性极化的激光来进行光泵浦和光探测。使用2W功率1500nm波长的激光对VaporCell进行加热，通过对探测激光的光吸收谱进行分析并拟合可以推算出当
南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论7图1.4(a)典型的碱金属VaporCell测试系统(b)VaporCell对共面波导成像示意图除了基于铷原子的VaporCell原子磁力计技术以外，还有其它碱金属在磁探测领域具备非常大潜力和价值。以碱金属K，Cs，Se的塞曼效应为基础，通过检测电子自旋已被极化的碱金属原子在磁场中的进动及旋转角，从而检测出磁场强度，目前的实验室灵敏度可以达到0.54fT。其中以K原子磁力仪的研究最为有成效[22]，K原子磁力仪的检测灵敏度和精度相比于其他碱金属原子Rb，Se磁力仪更具优势。以普林斯顿大学的Romalis教授和华盛顿大学的Allred为首的研究团队制作了一种基于碱金属K原子且利用全光学方法的磁力仪，该磁力仪在3mm2的测量体积下，其灵敏度达到0.54fT/√（1fT=10-15T），这是目前世界范围内的最高灵敏度，其空间分辨率可达到2mm量级，在弱磁场中工作时，这种磁力仪的灵敏度可能达到10-18T数量级，这将比SQUID的灵敏度高出1000倍，另外还得到在500cm3的原子气室体积下，达到0.3fT/√的散粒噪声灵敏度。（3）基于高激发态原子的量子电场探测技术高激发态原子是指通过光将原子的外围电子激发到较高的电子轨道，此时原子整体表现出较大的电偶极矩，因此该原子体系对外部的电场呈现出高度的敏感特性。使用现代激光光谱学，可以非常精密的测量从射频到远红外频段的电场[23]，其关键是使用相干多光子光谱学来实现蒸汽小室中的亚多普勒测量。目前的主要研究，聚焦在如何使用里德堡原子进行射频到远红外的电场测量。图1.5(a)描述的是87Rb的能级结构图，图中所有的激光都使用激光二极管技术产生，探测激光对87Rb的原子能级进行激发；该技术通过测量的探测激光强度的变化，可以记录并分析87Rb的原子能级改变情况，此时由于耦合激光与微波之
【参考文献】：
期刊论文
[1]舰船磁场信号采集电路的设计[J]. 邓西伯,吴文全. 电子设计工程. 2018(04)
[2]利用金刚石氮-空位色心精确测量弱磁场的探索[J]. 李路思,李红蕙,周黎黎,杨炙盛,艾清. 物理学报. 2017(23)
[3]量子信息技术发展概况[J]. 郭光灿,张昊,王琴. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2017(03)
[4]基于金刚石NV色心的超分辨成像技术[J]. 杜博,陈向东,孙方稳. 激光与光电子学进展. 2017(03)
[5]基于FPGA的电磁场信号采集与处理系统研究[J]. 马雪. 电子测试. 2016(21)
[6]水下航行器的现状与未来展望[J]. 赵欣. 科技经济市场. 2016(09)
[7]高温射频超导量子干涉器探头的研制[J]. 柯汉忠,刘祥文,严春杰,赵毅,陈晓东. 工程地球物理学报. 2015(06)
[8]海洋环境水下电磁场相关特性分析[J]. 吴亮,姜元军. 舰船电子工程. 2013(12)
[9]舰船水下电磁场国外研究现状[J]. 杨国义. 舰船科学技术. 2011(12)
[10]基于小波能量熵的水下目标磁场信号去噪[J]. 方石,陈朝宏,殷正保. 船电技术. 2011(04)
博士论文
[1]纳米金刚石中NV色心的制备与量子调控研究[D]. 宋学瑞.中国科学技术大学 2014
[2]基于NV色心量子成像实验研究[D]. 崔金明.中国科学技术大学 2013
硕士论文
[1]水下大型目标的磁探测研究[D]. 王杨婧.西安电子科技大学 2012
本文编号：3353020
【文章来源】：南京邮电大学江苏省
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)SQUID超导量子干涉设备随着高温超导薄膜技术的发展，外延生长
南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论6超精细能级跃迁对窄带微波频率比较敏感，这种现象称为磁共振。通过使用直流（DirectCurrent，DC）磁场，可以调节超精细能级之间的分裂程度，进而实现对磁共振频率的动态调节。这就相当于收音机的调频功能，因此利用这种特性可以实现对很宽频带的微波场的高灵敏度探测[21]。图1.3(a)87Rb在外磁场下基态能带分裂图(b)微米级铷VaporCell的微装配工艺要实现高分辨率的微波成像，还需要制备微米甚至纳米尺寸的铷蒸汽小室微波探头。如图1.3(b)所示，一种制备微米级的铷蒸汽小室微波探头的方法是采用维纳加工工艺在2000um宽的硅晶圆上，通过深反应离子刻蚀（DeepReactiveIonEtching，DRIE）技术刻出500um宽的空腔。然后通过静电键合技术将晶圆与玻璃基板键合在一起，然后将带玻璃衬底的空腔单独剥离出来[21]。由于87Rb在常温下很容易汽化，因此将87Rb蒸汽填充到该空腔内，87Rb原子沉积到玻璃衬底上，同时将氩气和氮气（Ar-N2）的混合气体作为保护气体注入到整个腔室内部。完成以后，最后将一个玻璃盖子通过静电键合技术将蒸汽小室密封起来，由于此时腔体内充满了背景气体，因此静电键合时需适当控制键合电压，以免发生气体击穿放电。通过调整激光的焦点到沉积到玻璃衬底的87Rb原子上，并通过光学方法将87Rb原子的量子态信息读出来，可以实现较高分辨率的微波场成像。典型的碱金属VaporCell测试系统的原理图如图1.4(a)所示，在上下两个电控磁铁之间放置了一个蒸汽VaporCell小室[20]，其中填充了87Rb原子，并将氮气作为缓冲气体。该系统使用780nm波长，沿磁场方向线性极化的激光来进行光泵浦和光探测。使用2W功率1500nm波长的激光对VaporCell进行加热，通过对探测激光的光吸收谱进行分析并拟合可以推算出当
南京邮电大学博士研究生学位论文第一章绪论7图1.4(a)典型的碱金属VaporCell测试系统(b)VaporCell对共面波导成像示意图除了基于铷原子的VaporCell原子磁力计技术以外，还有其它碱金属在磁探测领域具备非常大潜力和价值。以碱金属K，Cs，Se的塞曼效应为基础，通过检测电子自旋已被极化的碱金属原子在磁场中的进动及旋转角，从而检测出磁场强度，目前的实验室灵敏度可以达到0.54fT。其中以K原子磁力仪的研究最为有成效[22]，K原子磁力仪的检测灵敏度和精度相比于其他碱金属原子Rb，Se磁力仪更具优势。以普林斯顿大学的Romalis教授和华盛顿大学的Allred为首的研究团队制作了一种基于碱金属K原子且利用全光学方法的磁力仪，该磁力仪在3mm2的测量体积下，其灵敏度达到0.54fT/√（1fT=10-15T），这是目前世界范围内的最高灵敏度，其空间分辨率可达到2mm量级，在弱磁场中工作时，这种磁力仪的灵敏度可能达到10-18T数量级，这将比SQUID的灵敏度高出1000倍，另外还得到在500cm3的原子气室体积下，达到0.3fT/√的散粒噪声灵敏度。（3）基于高激发态原子的量子电场探测技术高激发态原子是指通过光将原子的外围电子激发到较高的电子轨道，此时原子整体表现出较大的电偶极矩，因此该原子体系对外部的电场呈现出高度的敏感特性。使用现代激光光谱学，可以非常精密的测量从射频到远红外频段的电场[23]，其关键是使用相干多光子光谱学来实现蒸汽小室中的亚多普勒测量。目前的主要研究，聚焦在如何使用里德堡原子进行射频到远红外的电场测量。图1.5(a)描述的是87Rb的能级结构图，图中所有的激光都使用激光二极管技术产生，探测激光对87Rb的原子能级进行激发；该技术通过测量的探测激光强度的变化，可以记录并分析87Rb的原子能级改变情况，此时由于耦合激光与微波之
【参考文献】：
期刊论文
[1]舰船磁场信号采集电路的设计[J]. 邓西伯,吴文全. 电子设计工程. 2018(04)
[2]利用金刚石氮-空位色心精确测量弱磁场的探索[J]. 李路思,李红蕙,周黎黎,杨炙盛,艾清. 物理学报. 2017(23)
[3]量子信息技术发展概况[J]. 郭光灿,张昊,王琴. 南京邮电大学学报(自然科学版). 2017(03)
[4]基于金刚石NV色心的超分辨成像技术[J]. 杜博,陈向东,孙方稳. 激光与光电子学进展. 2017(03)
[5]基于FPGA的电磁场信号采集与处理系统研究[J]. 马雪. 电子测试. 2016(21)
[6]水下航行器的现状与未来展望[J]. 赵欣. 科技经济市场. 2016(09)
[7]高温射频超导量子干涉器探头的研制[J]. 柯汉忠,刘祥文,严春杰,赵毅,陈晓东. 工程地球物理学报. 2015(06)
[8]海洋环境水下电磁场相关特性分析[J]. 吴亮,姜元军. 舰船电子工程. 2013(12)
[9]舰船水下电磁场国外研究现状[J]. 杨国义. 舰船科学技术. 2011(12)
[10]基于小波能量熵的水下目标磁场信号去噪[J]. 方石,陈朝宏,殷正保. 船电技术. 2011(04)
博士论文
[1]纳米金刚石中NV色心的制备与量子调控研究[D]. 宋学瑞.中国科学技术大学 2014
[2]基于NV色心量子成像实验研究[D]. 崔金明.中国科学技术大学 2013
硕士论文
[1]水下大型目标的磁探测研究[D]. 王杨婧.西安电子科技大学 2012
本文编号：3353020
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