利用“光抽运-磁共振-光探测”技术测量Rb原子的g_F因子

利用D1圆偏振光照射气态Rb原子,光抽运作用导致Rb原子在基态能级中粒子数偏极化。通过射频磁场与Rb原子磁共振,使Rb原子发生感应跃迁,减弱Rb原子偏极化程度的同时,重新激活光抽运作用。探测Rb原子对D1圆偏振光的吸收状况,确定磁共振时射频磁场的频率。在测量出塞曼分裂的磁场大小之后,便可计算出Rb原子的gF因子。

光泵磁共振法测量地磁场水平分量B_(E11)

采用与示波器同步的扫描场探测光磁共振 ,使光磁共振信号稳定 ;选择扫场的同一点 (最好选在峰点或谷点 )作参考点 ,有利于结合实际情况测地磁场水平分量BE11。

快速响应的NV色心微波传感器实现及测量

高精度微波快速测量技术是电磁频谱分析监测的核心,微波测量技术为微波传感器的高精度测量提供了可能。通过建立NV色心空间磁场能级响应频率精密调谐模型,结合NV色心光学宽场成像技术,实现了高精度、响应快可调的微波测量。首先,通过连续光探测磁共振(ODMR)技术,结合宽场成像技术,通过像素级磁场强度-微波频率转化关系,实现宽场成像的微波测量;进而将连续扫频技术转变为施加定频进行检测,通过同步监测频点不同的响应特性,验证了测试结果的有效性。以上结果为高精度固态量子频谱分析仪、高瞬时带宽频谱微波传感器提供了重要技术基础。

NV磁强计微型化激光测试技术研究

微型化集成NV磁强计以其灵敏的磁探测性能以及优越的空间分辨率引起了广泛的研究,而NV磁强计所采用的高稳固体激光器体积过大发热严重,成为微型化集成NV磁强计投入实际应用的阻碍。开创性地提出将微型半导体激光元件与驱动器集成应用于NV磁强计测量调控系统实现微系统磁探测的系统优化,极大的推动了集成化磁强计的研发进程,并通过实验样机平台检测验证了微型化激光模组应用于金刚石NV色心测磁的可行性,实验结果表明在激光功率为5 mW,微波功率19 dBm的情况下,光子散粒噪声的极限灵敏度可以达到2.75nT√Hz,系统最小可检测磁场约为32 nT,验证了微型化系统的可行性与稳定性,为进一步微型化集成NV磁强计投入应用打下了基础。

探测光频率对核磁共振陀螺内嵌磁力仪影响研究

核磁共振陀螺中内嵌磁力仪性能的优化对提高陀螺的灵敏度具有重要意义,其中探测光频率的选取十分重要。为了研究探测光频率对内嵌磁力仪的影响,建立了探测光频率与磁力仪信号关系的理论模型,得到了探测光频率对磁力仪信号影响的优化策略。仿真分析和实验结果表明,在合适的气室温度(120℃)条件下选择约-17 GHz的探测光D1线频率失谐量,可使信号强度相对于极小值优化约三个量级。通过引入超精细结构修正,解释了实验D1线正负频响应不对称以及中心频率附近局部极值的现象,证明了理论模型的可靠性。研究结果为探测光最优频率的选取提供了指导。

激光光谱技术

O433.54 96063563双能级跃迁CO激光器腔内光声光谱测量=Sensitiveintracavity photoacoustic measurementwith CO-overtone laser[刊,中]/于清旭,王艺,刘中凡,林钧岫（大连理工大学.辽宁,大连（116024））,Urban W（德国波恩大学）//大连理工大学学报.-1995,35（2）.-258-262将纵向共振光声池放入双能级跃迁CO激光器光学谐振腔内,构成一个高灵敏度光声探测器,使用该探测器对低浓度的N2O和CH4气体作了光声测量。由于气体吸收线与CO激光器谱线具有很好的重合性,及较强的腔内激光功率,该系统对N2O和CH4气体的最低检测浓度分别达到37×10-11和37×10-12。图4参6（严寒）

一种Mx构型氦光泵磁力仪的磁共振理论分析与实验验证

从亚稳态氦原子的Liouville方程和Bloch方程出发,研究了基于Mx构型的亚稳态氦原子的光磁双共振过程,建立了光探测磁共振线型的理论模型,并通过实验对幅值信号与相位信号的磁共振线型仿真结果进行验证,实测曲线与理论预测匹配较好。对共振线宽进行了估算,讨论了影响磁力仪工作灵敏度的磁力仪设计参数,这对Mx构型氦光泵磁力仪的研制有重要的指导意义。

集群金刚石NV色心量子自旋定向激发磁传感增强方法

为满足工业磁传感器高灵敏度、高信噪比(SNR)测量需求,基于自制的共聚焦磁检测系统,提出一种基于脉冲幅度调制技术的集群金刚石氮空位(NV)色心量子自旋定向激发(QSDE)方法。利用任意波形发生器构建sin型QSDE脉冲光探测磁共振序列,抑制传感体系中对微波敏感的Ns杂质与NV色心产生耦合效应带来的线宽展宽与噪声,提升谱线对比度的同时降低了线宽与噪声,突破微波强度对灵敏度和SNR的限制。经实验验证,相较连续波光探测磁共振(CW-ODMR)方法,该方法可将磁传感灵敏度和信噪比分别大约提升5倍和20 dB,为量子精密测量领域开辟了全新的技术路径和研究思路。

面向固态电子自旋操控的紧凑Ω形微波辐射结构设计

设计了一种面向金刚石中氮空位(NV)电子自旋调控的紧凑Ω形印制电路板(PCB)表面贴装微波辐射结构,通过计算PCB上2.87 GHz微波的1/2波长长度限制整体结构尺寸,完成设计后加工,并进行测试表征。制备的微波辐射结构尺寸为20 mm×29 mm×0.16 mm,辐射强度高,能够方便地在金刚石附近放置射频线圈等部件进行核自旋调控。在测量过程中,不同磁场下的光探测磁共振谱表明,在2.7~2.87 GHz的范围内,光探测磁共振(ODMR)谱均具有很好的信噪比和对比度。使用Rabi信号表征了辐射结构的微波辐射能力,测量得到的Rabi频率可达3.5 MHz。最后在两个不同的磁场条件下,测量了金刚石样品的自旋回波信号。实验测试结果表明,设计的PCB上紧凑Ω形微波辐射结构具有很好的电子自旋操控能力,可为核自旋调控部件提供安装空间,能很好地应用在基于固态电子自旋的精密测量中。

基于金刚石NV色心的微角度测量方法

微角度检测在超高精密测量技术中有着重要的作用。研发了一种基于金刚石氮空位(NV)色心的微角度测量方法,其中NV色心作为微角度检测敏感单元,共轴磁铁作为传感单元,由于共轴磁铁和金刚石NV轴之间不同夹角下的磁场强度变化引起金刚石NV色心自旋能级波动,从而使得光学探测磁共振(ODMR)信号漂移,通过闭环频率锁定技术的实时追踪实现微角度的检测。并对微角度测量进行了理论分析和实验测试,理论和实验结果基本一致。同时,通过该方法获得了微角度传感检测的灵敏度为200 mV/deg,分辨率为10 mdeg,系统的等效角度均方根噪声为0.69 mdeg/Hz^(1/2)。该方法为高灵敏度、高分辨率的微角度检测提供了新的手段,同时实时追踪金刚石多个NV轴,可实现姿态矢量微角度检测。

金刚石氮-空位色心连续式温度测量灵敏度分析

金刚石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV-)色心系综在温度测量原理上具有超高灵敏、微纳米级空间分辨率的特点,该方法利用色心最外层2个未成对电子自旋相互作用产生的零场分裂能实现温度测量,通常采用灵敏度分析方法来衡量其温度敏感信号的信噪比。为有效提高灵敏度,推导了无外加磁场时连续式温度测量灵敏度的理论模型,分析了影响信噪比的主要因素;优化了微波天线直径、激光和微波功率对光探测磁共振(optically detected magnetic resonance,ODMR)谱线线宽和荧光对比度的影响。在303~318 K范围内标定了零场分裂能D与温度T的关系,得到系统所用高浓度色心样品的d D/d T为-73.42 kHz/K,标定结果的相对标准偏差为5.3%。最终对不同温度的灵敏度进行测量,低频段平均灵敏度达到0.50 K/Hz 1/2(<10 Hz)的水平。

金刚石NV色心系综内14N核自旋测量与调控

金刚石内氮空位(NV)色心中的氮核自旋是一个原子级别磁结构,无法如同NV电子自旋一样在任意磁场下受光泵浦极化。随机指向的氮核自旋缩短了NV色心电子自旋的相干时间,限制了NV色心电子自旋的传感测量能力。通过激光、微波和射频脉冲共同作用完成NV色心中氮核自旋的磁共振测量和调控,表明其可以被调控和初始化。研究结果表明,NV色心中的14N核自旋在2.79、4.95和7.11 MHz处具有共振信号。测量得到的核自旋系综Rabi信号在11个π脉冲的脉冲宽度射频作用后仍然具有明显相干性,而电子自旋系综在7个π脉冲的脉冲宽度微波作用后已经完全退相干,表明其具有远优于NV电子自旋的相干性质。引入单个π脉冲脉冲宽度的射频信号后,14N核自旋在一个态上的布居数降低了50%。这项工作可为在基于NV色心的传感测量应用中引入核自旋调控提升传感能力提供技术支撑。

碳化硅色心高压量子精密测量

高压下的量子精密测量对于研究极端环境下的物质结构及演化具有重要意义。针对传统方法难以实现高压下原位高分辨率磁探测的难题,近年来提出了基于固态色心的高压量子精密测量技术,并取得了一系列重要进展,对于推动极端条件下的物质研究具有重要意义。本文主要聚焦基于碳化硅色心的高压量子精密测量,回顾了碳化硅中硅空位色心和双空位色心在高压下的光学和自旋性质,介绍了利用碳化硅色心光探测磁共振技术进行的高压量子传感,包括Nd_(2)Fe_(14)B的磁性相变、YBa_(2)Cu_(3)O_(6.6)超导体的超导转变温度-压力相图等,展示了基于碳化硅色心的高压量子精密测量在压力传感、压致磁性相变以及压致超导转变方面的应用。

基于金刚石NV色心的弱磁场测量

从选题背景、实验原理、实验设计方案、实验结果与讨论、教学应用与展望等方面入手,介绍了基于金刚石NV色心的弱磁场测量相关的实验教学研究.重点阐述了金刚石NV色心的制备、共聚焦光路系统的搭建、通电线圈和圆柱形磁铁磁场的测量以及三维亥姆霍兹线圈的应用.该成果转化应用到全国大学生物理实验竞赛中,通过竞赛、教学、科研的有机结合,培养学生的综合素质和实践创新能力,并丰富大学物理实验的前沿教学内容.

基于系综NV色心的温度传感器关键技术

金刚石中的氮空位中心（NV色心）具有独特的自旋特性,且其电子自旋受周围环境如温度的影响,从而可以通过探测NV色心的电子自旋态实现对温度的精密测量。在精密测量中,NV色心的哈密顿量起重要作用,而哈密顿量受周围环境温度的影响,所以研究了291-390 K温度下系综NV色心的光探测磁共振（ODMR）信号与温度的关系。随着温度的升高,零场劈裂D值逐渐减小,并且获得370-390 K时零场劈裂D值与温度间存在斜率为-61.65 kHz/K的线性关系,并对ODMR信号进行微波调制,这对以后实现高精度的温度场测量具有很好的应用前景,也为研究金刚石材料的温度特性提供了很好的技术支持。

金刚石NV色心磁力计极限灵敏度优化方法

光探测磁共振（ODMR）信号作为氮空位（NV）色心磁力计进行磁检测的主要手段,其主要受到微波功率强度和激光功率强度的影响。对金刚石NV色心磁力计展开研究,根据其检测原理,探究其极限灵敏度优化方法。搭建了ODMR信号的检测系统,对ODMR信号的激发功率进行了探究。实验结果表明在该实验系统下,微波功率约为60 mW、激光功率约为10 mW是最优的ODMR信号激发功率,可以使磁力计灵敏度达到最优,得到其理论值为17.80 nT/Hz^1/2。为金刚石NV色心磁力计灵敏度的进一步提高提供了改进方法。

一种基于金刚石NV色心系综的磁力计

金刚石氮空位(NV)色心系综磁力计的灵敏度受激光激发效率的影响很大。对此通过增加激光与金刚石的接触面积来提高NV色心的激发效率,搭建了共聚焦磁检测系统。建立了NV色心的原子模型,根据其磁检测的原理,可通过光探测磁共振(ODMR)技术来检测外部磁场。沿着金刚石[111]晶向施加静磁场,四个共振峰所对应的微波频率与磁场强度呈现线性关系。因此,可通过检测共振峰的漂移来解算出外部磁场强度。在激光功率50 mW、微波功率23 dBm时,计算得出室温下该磁力计的极限灵敏度达到0.3 nT/Hz1/2,实验测得系统的磁噪声灵敏度为0.2 nT/Hz1/2。通过提高金刚石NV色心激发效率可以进一步提高金刚石磁力计的灵敏度。

量子调控型NV色心系综磁强计灵敏度优化

氮空位(NV)色心是金刚石中固有的缺陷,具有纳米量级的空间分辨率和微特斯拉量级的磁灵敏度,可以实现高灵敏度与高空间分辨率的微弱磁检测。利用NV系综磁敏感单元,可以将固态电子自旋信号实时检测技术应用于NV磁强计。准确进行AC磁测量是研究的关键。利用NV色心电子自旋进行量子调控,通过光探测磁共振(ODMR)测试确定共振频率,二能级Rabi振荡测试确定Rabi频率以及退相干时间测试确定横向弛豫时间。由于自旋回波存在相位积累,导致荧光布局数发生改变。最后利用量子相位随荧光布局数的关系计算出最大AC磁场灵敏度约为0.8 pT/■。

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

基于金刚石氮空位(NV)色心系综的磁传感器磁场检测的绝对灵敏度与光探测磁共振(ODMR)的解调曲线的最大斜率呈反比,而解调曲线的斜率主要取决于磁传感器的调制参数。重点研究了磁传感器的灵敏度与调制频率之间的关系。介绍了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。介绍了计算磁灵敏度的理论模型。通过实验证明,当激光功率为50 mW、微波功率为7 dBm、调制频率为18 kHz时,解调曲线的斜率为1.1461 mV/kHz,相比于未优化前(0.0868 mV/kHz)提高了约12.2倍。散粒噪声限制的磁传感器的灵敏度约为4 nT/Hz1/2(理论计算结果约为1 nT/Hz1/2)。

基于金刚石系综NV色心的温度磁传感特性

基于金刚石系综氮空位(NV)色心量子传感技术,搭建了高精度量子传感温度测量实验平台,探究了金刚石NV色心温度传感特性。通过测试不同温度下的光探测磁共振(ODMR)信号,验证了NV色心的零场劈裂参数(D)会随着温度(T)变化这一结论,即随着温度的升高,ODMR信号整体往左漂移。测得在293~343 K内,D与T呈线性关系,且斜率为-62.4 kHz/K。本实验不仅为高灵敏度和高空间分辨率的纳米尺度温度场测量提供了方法,也对NV色心温度传感器的设计和NV色心量子精密测量提供了技术支持。