基于金刚石中氮空位点缺陷的光探测磁共振平台的优化与搭建

摘要

自上世纪初普朗克提出量子化的方式解决了紫外灾难，并被爱因斯坦借鉴来解决了光电效应问题之后，量子物理的概念首次被提出并受到了科学界的广泛关注。之后，经过玻尔、爱因斯坦、海森堡、薛定谔、狄拉克等一群物理学大家的研究与发展，量子物理的理论体系渐渐发展完善。之后，伴随着测量技术与控制手段的发展，量子物理渐渐从被动观测走向了主动控制，并被更广泛地应用于实际问题的解决当中。而在其中，量子通讯技术，量子计算科学以及量子精密测量技术是量子物理的三个重要应用领域。 1997年，德国斯图加特大学的J(o)rg教授开始了对金刚石中的单个氮空位点缺陷（Nitrogen-Vacancy center,后简称为NV色心）在光探测磁共振(Optical Detected Magnetic Resonance，后简称为ODMR)领域的研究。而后，NV色心凭借其长相干时间特性以及其可以在室温下操作与读出的特性，迅速发展为量子计算的重要候选体系以及量子精密测量的有效实现手段。 尤其在量子精密测量领域，当前，基于NV色心的ODMR体系已经发表了许多优秀的研究工作。比如已经实现了nT/√Hz量级的磁场探测灵敏度，纳米量级的磁场成像以及纳米量级的温度探测等。现在，诸如原子力显微镜(Atomic Force Microscope，后简称AFM)，微流道等技术也在逐渐被结合到NV色心ODMR体系中，并在生物分子和化学物质的探测和成像方面发表了许多优秀的工作。例如，生物蛋白成像，活细胞温度成像或是化学位移测量等。因此，可以预见，在未来的发展中，基于NV色心的ODMR体系与实际的生物医疗应用等领域的联系将会越来越紧密，并最终被应用到我们的实际生活当中。 因此，将基于NV色心的ODMR系统从实验室环境中脱离出来，将其优化为一种更为高效的集成化一体化设备便成为了将NV色心体系应用于实际生活中的一个必然要求。在这篇论文中，就优化改进基于NV色心的ODMR平台进行了一系列研究，主要包含为以下三方面的工作: 1.优化并搭建了一个低温平台的ODMR光路平台以及其电子线路部分。在光路平台部分，在一般的ODMR光路基础上对本平台光路进行了模块化设计，分离了前后端光路，使其可以满足本平台的使用需求;而另一方面，对复杂电子线路进行了模块化封装，使得其具有更好的可用性与可维护性。 2.设计并搭建了一个高度集成化的系综NV色心ODMR平台。基于上述低温平台的搭建经验，设计并搭建了一个在空间尺寸上最小的ODMR平台，且使其具有比较高的鲁棒性，可以承受搬运中带来的震动。同时为其编写了一套控制程序，并用其完成了一系列基于NV色心的基础测试。 3.设计完成了一种新型的金刚石单晶的检测方法。该方法基于金刚石中NV色心在外磁场下的能级劈裂大小与NV轴向有关的特性，通过扫描待测样品CW谱的方式可以高效地甄别出该样品是否为金刚石样品以及进一步确定该样品是否为金刚石单晶。它在商业钻石的鉴定中具有良好的应用前景。

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摘要

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第一章绪论——NV色心ODMR体系综述

1．1金刚石中的NV色心

1．2 NV色心的性质

1．2．1 NV色心的荧光性质

1．2．2 NV色心的基态能级特性

1．2．3 NV色心的弛豫特性

1．3 NV色心的常见应用领域

1．3．1 NV色心的历史简介

1．3．2 NV色心在量子计算领域的研究

1．3．3 NV色心在量子精密测量领域的应用

第二章基于NV色心ODMR平台的模块化设计与搭建

2．1一般性的NV色心ODMR系统的组成与架构

2．1．1基于NV色心的ODMR平台的光学模块介绍

2．1．2基于NV色心的ODMR平台的微波模块介绍

2．1．3基于NV色心的ODMR平台的时序同步模块与计算机控制软件介绍

2．2低温NV色心ODMR平台搭建

2．2．1低温多波段NV色心ODMR平台简介

2．2．2平台电子线路部分设计与搭建

2．2．3平台光学部分搭建

2．3章节小结

第三章高度集成化系综NV色心ODMR平台搭建

3．1高度集成化系综NV色心ODMR平台设计

3．2平台光路设计与搭建

3．2．1 PicoLAS脉冲驱动板卡测试

3．2．2荧光信号光强模拟计算

3．2．3笼式结构光路设计与搭建

3．3平台电子学部分设计与搭建

3．3．1平台微波模块的设计与搭建

3．3．2平台时序同步控制模块搭建

3．3．3平台信号采集模块搭建

3．4平台用户控制界面搭建

3．4．1用户控制界面前面板的设计与搭建

3．4．2逻辑控制模块搭建

3．4．3功能实现模块搭建

3．5平台实际测试结果

第四章一种新型的金刚石单晶的检测方法

4．1现有的金刚石单晶检测方法

4．1．1 X-ray Diffraction(XRD)方法

4．1．2透射电子显微镜(TEM)成像方法

4．1．3利用晶体双折射现象进行检测

4．2本方法的具体原理与实现过程

4．2．1本方法的具体原理

4．2．2本方法的具体实现过程

4．3本方法相较于其他方案的优点

第五章总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果