李中豪 王天宇 郭琦 郭浩 溫?zé)w 唐軍 劉俊

(中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院, 太原 030051)

(中北大學(xué), 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030051)

(中北大學(xué), 量子傳感與精密測量山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 太原 030051)

高靈敏色心量子自旋磁檢測是弱磁、極弱磁檢測及成像應(yīng)用的關(guān)鍵. 本文通過搭建結(jié)合磁力線集聚結(jié)構(gòu)(MFC)的系綜金剛石氮空位(NV)色心的寬視場磁分布成像系統(tǒng), 對系綜金剛石NV色心磁檢測增強(qiáng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究. 首先基于磁力線集聚效應(yīng)仿真設(shè)計(jì)并制造了成對的T型薄片狀MFC結(jié)構(gòu), 利用連續(xù)波光探測磁共振(ODMR)寬視場磁成像技術(shù)對MFC的磁增強(qiáng)效果進(jìn)行驗(yàn)證. 實(shí)驗(yàn)測試的MFC間距的最小值為1.0 mm,此時(shí)磁增強(qiáng)倍數(shù)約為10.35, 通過進(jìn)一步對比不同磁場強(qiáng)度以及不同間距條件下的MFC磁增強(qiáng)效果, 驗(yàn)證了MFC磁增強(qiáng)效果的有效性, 系統(tǒng)磁檢測靈敏度由1.10 nT/Hz1/2提升至0.30 nT/Hz1/2. 通過進(jìn)一步對比仿真與測量獲得的磁增強(qiáng)倍數(shù)與間隙寬度的關(guān)系, 可對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的磁增強(qiáng)及靈敏度進(jìn)行有效估計(jì). 在MFC間距為0.5 mm時(shí), 對應(yīng)的磁增強(qiáng)倍數(shù)可提升至約18.21, 磁靈敏度則可達(dá)0.25 nT/Hz1/2. 以上結(jié)果表明基于磁集聚效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)系綜金剛石氮空位色心磁檢測靈敏度的有效提升, 為精密量子測量技術(shù)在弱磁、極弱磁檢測應(yīng)用方面提供了參考.

1 引 言

弱磁、極弱磁檢測成像技術(shù)是微納米材料學(xué)、物理學(xué)和生命科學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)[1], 是地磁檢測[2]、腦磁檢測[3]等實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵. 現(xiàn)有的弱磁檢測成像技術(shù)主要包括超導(dǎo)量子干涉儀(superconducting quantum interference device, SQUID)、巨磁阻(giant magnetoresistance, GMR)傳感器等, 其中SQUID和GMR的高精度檢測需要超低溫條件[4]或加熱與磁屏蔽要求[5], 而用于室溫檢測的巨磁阻抗[6](giant magneto-impedance, GMI)、磁電[7](magnetoelectric, ME)傳感等能提供的靈敏度較低. 因此需要發(fā)展一種能在室溫條件下提供高靈敏度測量的磁傳感器件.

氮空位 (nitrogen-vacancy, NV)色心是金剛石中較為常見的一種自旋結(jié)構(gòu), 由一個(gè)氮原子(N)和空位(V) 取代碳(C)原子, 根據(jù)其熒光電荷態(tài)分為NV0和NV—, 本文圍繞系綜NV—色心研究展開, 為了表述方便, 本文后續(xù)均由NV指代NV—.由于NV色心電子自旋對磁場的敏感性, 目前NV色心主要用于納米級的磁場檢測[8,9], 較大體積的系綜金剛石NV色心具有較高的色心濃度, 可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度磁傳感檢測[10], 目前系綜金剛石NV色心已經(jīng)實(shí)現(xiàn)微米量級[11,12]磁場成像的技術(shù)研究,但是在實(shí)際應(yīng)用過程中, 系綜NV色心磁檢測磁靈敏度受微波功率和激光功率等多種因素限制[13],現(xiàn)有研究條件下繼續(xù)增大微波功率和激光功率已經(jīng)受到諸多因素的限制. 如何引入新機(jī)制進(jìn)一步提升系綜NV色心傳感器檢測靈敏度且不引入額外噪聲, 這是目前亟需解決的關(guān)鍵問題.

磁力線集聚結(jié)構(gòu)(magnetic flux concentrator,MFC)是一種利用具有磁力線匯聚作用的高磁導(dǎo)率軟磁材料制備的對稱結(jié)構(gòu)[14]. 該結(jié)構(gòu)中央間隙部分可以實(shí)現(xiàn)待測磁力線的匯聚, 產(chǎn)生局部磁場增強(qiáng), 進(jìn)而將微弱待測磁場轉(zhuǎn)變成較強(qiáng)的匯聚磁場進(jìn)行檢測, 最終實(shí)現(xiàn)傳感器檢測靈敏度的有效提升.同時(shí), 利用磁通集聚結(jié)構(gòu)增大磁力計(jì)靈敏度的方式不會將更多的測量噪聲引入到傳感器系統(tǒng)中[15].目前MFC已經(jīng)被用于霍爾傳感器[16]、磁通門感器[17]和磁隧道結(jié)傳感器[18,19]等多種傳統(tǒng)磁傳感檢測技術(shù)中. 但是, MFC對于NV色心磁檢測的靈敏度提升的有效性及系統(tǒng)研究目前報(bào)道相對較少,同時(shí), 結(jié)合室溫弱磁、極弱磁檢測發(fā)展需求, 有必要對MFC系統(tǒng)對系綜NV色心磁檢測增強(qiáng)的有效性展開系統(tǒng)研究.

基于以上研究背景, 本文通過搭建結(jié)合MFC系統(tǒng)的系綜金剛石NV色心寬場磁檢測成像系統(tǒng), 利用連續(xù)波光探測磁共振(continuous wave optical detection magnetic resonance, CW-ODMR)寬場成像技術(shù), 驗(yàn)證MFC對磁場增強(qiáng)效應(yīng)的有效性.通過對比有無MFC條件下的ODMR曲線變化,確定MFC對待測磁場的磁增強(qiáng)效果, 進(jìn)一步通過測量不同間距下MFC磁增強(qiáng)倍數(shù)首先獲得實(shí)驗(yàn)條件下的最優(yōu)磁靈敏度, 最后通過對比實(shí)驗(yàn)測試和仿真結(jié)果, 預(yù)計(jì)現(xiàn)有MFC對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的最優(yōu)的磁增強(qiáng)效果和可實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)磁靈敏度.

2 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1(a)的能級圖所示, 金剛石NV色心在受到532 nm綠色激光照射時(shí), 其能級由基態(tài)3A2激發(fā)到第一激發(fā)態(tài)3E, 同時(shí)也在發(fā)生退激發(fā)回到基態(tài), 退激發(fā)時(shí)有兩種途徑, 其中無輻射的系統(tǒng)間交叉(inter-system crossing, ISC)過程經(jīng)過中間態(tài)1A1和1E的過程占比與微波頻率有關(guān), 在電子自旋與微波頻率共振時(shí)熒光強(qiáng)度最弱; 在外磁場條件為零時(shí), ODMR曲線僅在微波共振頻率ν0= 2.87 GHz附近呈現(xiàn)一個(gè)分裂的諧振峰. 以NV晶軸為坐標(biāo)系的z方向, 并適當(dāng)?shù)剡x取x和y方向, 則N-V色心基態(tài)電子自旋的哈密頓量可以表示為[20]

其中h= 6.63 × 10—34J·s 為普朗克常量; 第一項(xiàng)是電子自旋在N-V軸方向(z方向)上的零場劈裂,D= 2.87 GHz為零場分裂常量; 第二項(xiàng)是橫向的零場劈裂,E為離軸零場分裂常量, 在沒有外電場和橫向應(yīng)力的情況下E= 0,Sx,Sy和Sz表示NV電子的自旋角動(dòng)量算符, 自旋數(shù)為1; 第三項(xiàng)為靜磁場的塞曼項(xiàng), 可以用來進(jìn)行外部磁場探測,S代表以Sx,Sy和Sz為分量的矢量,g是朗德因子,μB是玻爾磁子. 基于第三項(xiàng), 可以推出ODMR在N-V軸方向上的共振頻率為

其中ν0=D為零磁共振條件下對應(yīng)的微波頻率.將色心處的磁場調(diào)節(jié)到與四個(gè)軸的最小夾角相同,即垂直于(100)金剛石的立方體晶胞的一個(gè)晶面時(shí), NV色心能級由于塞曼分裂在不同方向NV軸上分裂的諧振峰退簡并為一對峰. 在外部施加磁場增大強(qiáng)度后每個(gè)方向上的諧振峰的分裂也同步增大, ODMR曲線共振峰的峰值點(diǎn)差值也會增大, 簡并后峰值點(diǎn)的頻率與磁場方向和N-V軸的夾角有關(guān). 此外, 以立方體晶胞的一個(gè)頂點(diǎn)為原點(diǎn), 與之相連的三個(gè)邊長為X,Y,Z軸建立空間坐標(biāo)系, 施加外磁場Bn方向沿Y軸方向時(shí), 如圖1(b)所示,在所有NV軸的軸向上磁場強(qiáng)度B=Bncosα, 在產(chǎn)生磁場變化δBn時(shí), ODMR曲線在峰值點(diǎn)處的共振頻率變化δν為

圖1 (a)金剛石NV色心能級躍遷示意圖; (b)沿(100)面生長的金剛石晶胞中一種NV軸朝向與磁場方向夾角示意圖; (c) T型薄片狀MFC及調(diào)節(jié)裝置示意圖; (d) MFC間距為0.5 mm的兩永磁體間磁場仿真流線圖; (e)無MFC的兩永磁體間磁場仿真流線圖Fig. 1. (a) Related energy levels of NV color center in diamond; (b) schematic diagram of the angle between the direction of the magnetic field and the direction of the NV axis in the diamond cell grown along the (100) plane; (c) schematic diagram of the Tshaped flake MFC and adjusting system; (d) simulation of magnetic field streamline diagram with MFC gap width of 0.5 mm between two permanent magnets; (e) simulation of magnetic field streamline diagram without MFC between two permanent magnets.

γe=gμB/h= 2.8 MHz/Gs (1Gs =10—4T)是色心的旋磁比,α為磁場方向與NV軸的夾角[21], 這個(gè)夾角可求得為(3)式表明, NV色心處的共振微波頻率變化δν與磁場強(qiáng)度變化δB呈正相關(guān)關(guān)系.

MFC由高磁導(dǎo)率軟磁材料制成, 可用于磁場的增強(qiáng). 空氣中的磁力線在進(jìn)入MFC較大的一端后在其內(nèi)部順著MFC的形狀在較小的一端產(chǎn)生匯聚, 形成磁力線的集聚[22], 有無MFC時(shí)永磁體產(chǎn)生磁力線的仿真流線對比如圖1(d)和圖1(e)所示. MFC通常做成小端相對的對稱結(jié)構(gòu), 在有外界磁場時(shí)其中心處的空氣間隙會產(chǎn)生比無MFC狀態(tài)增大的磁場[23]. 根據(jù)已有研究結(jié)果可知, T型MFC的磁集聚增強(qiáng)效果最明顯[23,24], 因而選擇成對T型薄片狀MFC進(jìn)行研究. 本文所采用的T型MFC, 其制作材料為1j79坡莫合金, 結(jié)合使用的實(shí)驗(yàn)裝置, 實(shí)驗(yàn)中所采用的T型薄片狀MFC具體形狀尺寸如圖1(c)所示.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置與仿真建模

圖2(a)所示為實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng), 由光路系統(tǒng)、寬場顯微鏡系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成. 高濃度的NV色心系綜樣品為1.0 mm × 4.0 mm × 0.5 mm的長條形金剛石(色心濃度約3 ppm, Element six, (100)為金剛石生長晶面), 而根據(jù)晶胞建立的坐標(biāo)系由于沿著金剛石生長面與切削面, 因而在宏觀上表現(xiàn)為圖1(c)所示的以金剛石中心點(diǎn)為原點(diǎn),Y軸方向?yàn)槭┘哟郎y磁場與MFC的方向.

圖2 (a) 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖; (b) 用于仿真的幾何結(jié)構(gòu)俯視圖, 紅框?yàn)镸FC間距0.5 mm時(shí)間隙部分放大示意圖, 黑框?yàn)橐晥鰞?nèi)的仿真磁場分布圖Fig. 2. (a) Schematic diagram of experimental setup; (b) top view of the geometric structure used in simulation, the red frame is the enlarged schematic diagram of the gap part when the MFC gap width is 0.5 mm, and the black frame is the simulated magnetic field distribution in the field of view.

光路系統(tǒng)將激光器(MGL-III-532-100 mW,長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)) 產(chǎn)生的532 nm綠色激光經(jīng)過準(zhǔn)直與擴(kuò)大后射入寬場顯微鏡系統(tǒng); 寬場顯微鏡系統(tǒng)將通過擴(kuò)束透鏡擴(kuò)大后的激光通過二向色鏡經(jīng)由20 ×/0.4的物鏡匯聚到金剛石下表面NV色心富集層上. 相機(jī)成像區(qū)域?yàn)樵摌悠分行奈恢锰幖s0.48 mm × 0.27 mm區(qū)域, 通過調(diào)節(jié)金剛石位置可將視場邊界較寬的一側(cè)與坐標(biāo)軸Y軸方向平行, 較窄一側(cè)與X軸平行. 金剛石上方物鏡將532 nm激光作用于NV色心表面, 其有效光斑直徑為0.6 mm, 可完全覆蓋成像區(qū)域. NV色心發(fā)出的紅色熒光由物鏡收集后經(jīng)分束鏡, 一束進(jìn)入到相機(jī)(CS2100M-USB, Thorlabs)進(jìn)行成像, 另一束收集至光電探測器上用于相關(guān)參數(shù)對比校正.

掃頻微波由微波源(SMA 100A, ROHDE &SCHWARZ, 輸出功率為30 dBm)通過微波天線向成像測量區(qū)域提供, 頻率范圍為2.7—3.0 GHz,步進(jìn)為0.15 MHz.

待測磁場由成對圓柱狀(Φ40 × 10 mm)永磁體結(jié)合精密調(diào)節(jié)架提供, 構(gòu)成類亥姆霍茲的磁調(diào)節(jié)系統(tǒng), 兩永磁體軸線正中心為測量位置, 磁體間距約為200 mm時(shí), 利用高斯計(jì)測量中心位置處的磁場強(qiáng)度約為5 Gs, 此外還可通過加減永磁鐵或改變磁鐵間距改變中心位置處磁場強(qiáng)度.

同步控制系統(tǒng)通過控制板卡(PulseBlasterESR-PRO, SpinCore)將微波掃頻步進(jìn)與相機(jī)曝光和圖像儲存時(shí)間根據(jù)序列進(jìn)行循環(huán)同步, 相機(jī)曝光時(shí)間設(shè)置為5 ms, 在圖像儲存開始的同時(shí), 對微波源提供一個(gè)同步的步進(jìn)觸發(fā)信號, 單次循環(huán)儲存時(shí)間為35 ms, 相機(jī)每秒采集幀數(shù)為25 FPS, 單次2000個(gè)循環(huán)的完整ODMR成像數(shù)據(jù)采集時(shí)間為80 s. 為了提升測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 單組數(shù)據(jù)進(jìn)行5次測量平均.

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將相機(jī)保存的圖片數(shù)據(jù)根據(jù)采集時(shí)間逐張?zhí)崛〔⒈４鏋橐粋€(gè)1920 × 1080 × 2000的三維矩陣, 然后這個(gè)三維矩陣經(jīng)過4 × 4個(gè)像素點(diǎn)平均為一個(gè)像素點(diǎn)后將每個(gè)圖像像素點(diǎn)處的數(shù)值隨時(shí)間變化的曲線單獨(dú)保存, 對應(yīng)的系統(tǒng)分辨率約為1 μm/pixel, 獲得的曲線為對應(yīng)像素位置成像需要的ODMR曲線, 如圖3(c)中的藍(lán)色實(shí)線所示, 通過MATLAB算法, 利用雙峰Lorentz公式進(jìn)行最小二乘法擬合:

其中y0是ODMR曲線中非共振位置處光強(qiáng)度,ω是ODMR曲線中共振峰的半高全寬,xc是曲線上共振峰處對應(yīng)的峰值點(diǎn)的共振頻率, 峰值處對應(yīng)的熒光強(qiáng)度為yc=y0+ 2A/(ωπ), 根據(jù)ODMR曲線可確定其兩個(gè)共振峰的共振頻率位置, 然后利用共振頻率的差值獲得對應(yīng)磁場強(qiáng)度為

其中, Δx為成像圖片中ODMR的兩個(gè)共振頻率差值, Δx0≈ 20為無待測磁場時(shí)的背景頻率差值,如圖3(c)中的黑線所示, 其對應(yīng)微波頻率約為3 MHz, 這個(gè)零場劈裂由兩部分構(gòu)成[25], 其中一部分由金剛石中未消除的應(yīng)力產(chǎn)生, 另一部分為小于2 MHz的地磁導(dǎo)致; ΔF= 300 MHz為輸入掃頻范圍,n= 2000為一個(gè)掃頻范圍內(nèi)采集的圖片數(shù).

圖3 (a) 測量得到的1.0 mm間距MFC的測量位置磁場分布圖(左)與同樣位置處無MFC磁場分布圖(右), 單位Gs; (b)仿真得到的圖(a)的兩個(gè)對應(yīng)圖; (c)三種狀態(tài)的ODMR曲線, 只有背景磁場(黑線)、有待測磁場無MFC(橙線)、有間距1.0 mm 的MFC (藍(lán)線); (d) MFC間距1.0 mm時(shí)改變待測磁場強(qiáng)度得到的增強(qiáng)磁場與基準(zhǔn)磁場關(guān)系Fig. 3. (a) Simulated magnetic field distribution diagram of the MFCs with a 1.0 mm gap (left) and without MFCs at the same position (right); (b) corresponding photos of panel (a) obtained by measurement; (c) ODMR curves under three conditions: only background magnetic field (black line), magnetic field without MFC (orange line), magnetic field with MFC of 1.0 mm gap (blue line);(d) relationship between the enhanced magnetic field and the reference magnetic field obtained by changing the intensity of the magnetic field to be measured when the MFCs gap is 1.0 mm.

其中C為ODMR共振峰處熒光對比度;R為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)光子速率, 可表示為[28]

其中Pfl≈ 7 μW為通過光電探測器標(biāo)定的紅色熒光的功率,c≈ 3.0 × 108m/s為真空中光速,λ≈670 nm近似為紅色熒光的波長.

加入MFC后, 結(jié)合(3)式, 對應(yīng)的共振頻率偏移δνMFC則改變?yōu)?/p>

其中N為MFC的放大倍數(shù). 則根據(jù)(6)式可知,經(jīng)MFC增強(qiáng)后的系統(tǒng)磁靈敏度ηMFC為

針對在被測磁場被放大的同時(shí), 背景磁場也會被聚磁薄片放大的問題, 可以根據(jù)(5)式利用該系統(tǒng)分為兩種不同情況進(jìn)行測量, 即只有背景磁場、以及待測磁場加背景磁場, 通過對比測量, 即可獲得消除背景作用的待測磁場分布, 進(jìn)而計(jì)算對應(yīng)的磁檢測靈敏度, 消除背景磁場對測量靈敏度的干擾.

在空間軸向處金剛石兩側(cè)為兩個(gè)對稱放置的T型MFC, 通過圖1(c) 所示的調(diào)節(jié)卡槽對MFC間距進(jìn)行調(diào)節(jié). 由于金剛石尺寸的限制, 初始間距設(shè)置為1.0 mm, 然后以0.5 mm與1.0 mm為間距增量逐步測量不同間距中心位置數(shù)據(jù). 在不同MFC間距下測量得到ODMR曲線, 通過其峰值點(diǎn)差值根據(jù)(5)式計(jì)算得到的磁場Bn, 最后到最大距離后取下MFC, 測量得如圖3(c)中橙線對應(yīng)的無MFC磁場Bj, 得到MFC不同間距的磁場增強(qiáng)效果N=Bn/Bj.

如圖2(b)所示, 用Comsol軟件進(jìn)行建模以上述同樣的尺寸參數(shù)建立三維幾何模型, 外部為材料為空氣的長方體, 兩永磁體沿測量軸線Y軸正向磁化1.8 × 105A/m, 對應(yīng)無MFC時(shí)軸線正中心位置約為5 Gs. 根據(jù)材料性質(zhì), 設(shè)定MFC材料的相對磁導(dǎo)率為10000, 無MFC時(shí)則設(shè)定為1, 不同MFC間距時(shí)軸線中心位置的磁場強(qiáng)度Bnf與無MFC時(shí)軸線中心磁場強(qiáng)度Bjf的比值即為仿真增強(qiáng)效果Nf=Bnf/Bjf.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析討論

3.1 仿真與驗(yàn)證測量

首先使用寬場磁成像系統(tǒng), 在間距為1.0 mm的成對MFC之間的軸線中點(diǎn)位置處進(jìn)行成像, 磁場成像結(jié)果如圖3(b)所示, 通過成像結(jié)果可以找到Y(jié)軸方向上磁場強(qiáng)度最小的位置, 將其調(diào)節(jié)到視場中間位置, 這個(gè)位置處的磁場方向受MFC磁場畸變影響而沿著Y軸方向, 且在X軸方向分量為零. 此處的磁場方向?qū)?yīng)金剛石NV軸晶胞處于與四個(gè)NV軸向夾角相同的方向, 將這個(gè)位置得到的ODMR曲線作為待測量. 仿真得到的有無MFC的磁場分布圖的總體分布趨勢與測量得到的磁分布趨勢如圖3(a)和圖3(b)所示, 可以看到, 仿真與測試結(jié)果幾乎一致.

將MFC間距固定為1.0 mm時(shí), 通過加減磁鐵改變測量位置的磁場強(qiáng)度, 得到了如圖3(d)所示的固定MFC間距為1.0 mm時(shí)測量位置處磁場強(qiáng)度隨基準(zhǔn)磁場強(qiáng)度的變化關(guān)系, 通過線性擬合得到其斜率約為10.35, 則對應(yīng)該間距條件下的磁放大倍數(shù)為10.35, 該結(jié)果與仿真獲得的磁增強(qiáng)倍數(shù)10.67幾乎是一致的.

3.2 不同MFC間距的磁增強(qiáng)測試

通過對不同間距條件下MFC間隙中心處成像, 可以獲得MFC不同間距條件下總體平均ODMR曲線, 如圖4(a)所示. 可以看到, 隨著MFC間距的增大, ODMR曲線的兩個(gè)峰值點(diǎn)間距隨之減小, 即隨著MFC間距的增加, MFC磁增強(qiáng)效果逐漸減弱. 由于系統(tǒng)使用的系綜金剛石NV色心樣品尺寸的限制, 實(shí)驗(yàn)中所測量的MFC最小間距為1.0 mm. 仿真得到的不同間距的磁場增強(qiáng)倍數(shù)如圖4(b)中藍(lán)圈所示, 而黑色方塊為測量得到的磁場增強(qiáng)倍數(shù), 可見測量磁場增強(qiáng)倍數(shù)與仿真結(jié)果匹配得很好. MFC磁場增強(qiáng)倍數(shù)與間距變化的對應(yīng)關(guān)系可表示為[29]

圖4 (a) MFC不同間距下ODMR曲線; (b)仿真(紅色圓圈)與測量(黑色方點(diǎn))得到的不同間距MFC的磁場增強(qiáng)倍數(shù)曲線, 藍(lán)線為擬合曲線.Fig. 4. (a) ODMR curves of MFC with different gap widths;(b) magnetic field enhancement curve of MFC with different gap widths obtained by simulation (red circles) and measurement (black dots). The blue line is the fitting curve.

利用該模型對測量結(jié)果進(jìn)行擬合, 可以得到:

利用(11)式獲得的磁場增強(qiáng)倍數(shù)與間距的關(guān)系曲線如圖4(b)中的藍(lán)線所示. 根據(jù)測試結(jié)果,可以預(yù)計(jì)在MFC間距為0.5 mm (完全滿足成像視場范圍條件)時(shí), MFC的磁增強(qiáng)倍數(shù)N可達(dá)18.21.

3.3 磁靈敏度計(jì)算及預(yù)計(jì)

將測量得到的不同間距下的放大倍數(shù)N, ODMR對比度C與半波全寬ω, 以及通過(7)式計(jì)算得到的光子速率R代入(9)式, 可以得到不同間距下對應(yīng)的系統(tǒng)磁靈敏度, 如圖5所示. 可以看出, 隨著MFC間距的減小, MFC對中心位置處磁場強(qiáng)度的放大倍數(shù)逐漸增大, 磁靈敏度提高, 系統(tǒng)磁靈敏度可由無MFC時(shí)的1. 10 nT/Hz1/2提升至MFC間距為1.0 mm時(shí)的0.30 nT/Hz1/2. 將測量結(jié)果再根據(jù)(9)式與(11)式進(jìn)行擬合, 得到藍(lán)色的擬合曲線, 根據(jù)曲線可以估計(jì)在間距為0.5 mm時(shí), 對應(yīng)磁靈敏度能達(dá)約0.25 nT/Hz1/2, 可實(shí)現(xiàn)磁檢測靈敏度的有效提升.

圖5 黑色方點(diǎn)為測量得到的不同間距下的磁靈敏度, 紅線為無MFC狀態(tài)下的磁靈敏度, 藍(lán)線為擬合曲線, 藍(lán)色星形為估計(jì)得到的間距為0.5 mm的磁靈敏度Fig. 5. The black square points are the measured magnetic sensitivity at different intervals, the red line is the magnetic sensitivity without MFC, the blue line is the fitting curve, and the blue star is the estimated magnetic sensitivity with a pitch of 0.5 mm.

4 結(jié) 論

本文通過搭建結(jié)合MFC結(jié)構(gòu)的系綜金剛石NV色心的寬場磁成像系統(tǒng), 利用連續(xù)光探測磁共振的NV色心傳感技術(shù)驗(yàn)證MFC磁增強(qiáng)效果. 首先仿真建立隨間距變化的T型薄片狀MFC間隙中心位置磁增強(qiáng)倍數(shù)變化模型, 通過磁場成像技術(shù)尋找間隙中心位置并利用ODMR曲線雙峰峰值點(diǎn)差值得到在實(shí)驗(yàn)條件下的不同間距的磁增強(qiáng)倍數(shù).最后通過計(jì)算和估計(jì)得到MFC對系綜金剛石NV色心系統(tǒng)的磁靈敏度放大效果. 實(shí)驗(yàn)中MFC最小間距為1.0 mm, 對應(yīng)的磁增強(qiáng)倍數(shù)為10.35,磁靈敏度由相對無MFC狀態(tài)的1.10 nT/Hz1/2提升至0.30 nT/Hz1/2. 根據(jù)擬合及模擬曲線計(jì)算并預(yù)計(jì)MFC間距為0.5 mm時(shí), 磁增強(qiáng)倍數(shù)提升到了18.21, 對應(yīng)的磁靈敏度較無MFC時(shí)可進(jìn)一步提升至0.25 nT/Hz1/2. 以上結(jié)果表明磁集聚效應(yīng)系綜NV色心磁檢測增強(qiáng)的有效性, 并為非軸向方向磁場的矢量選擇性方面的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ), 為弱磁測量的靈敏度的優(yōu)化提供了一定參考.