阅读说明：本技术 一种nv轴三维空间指向快速测量方法 (NV axis three-dimensional space pointing rapid measurement method ) 是由 陈国彬 杜关祥 杨会 何文豪 顾邦兴 朱少晨 于 2020-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种NV轴三维空间指向快速测量方法,该方法通过调整永磁体与金刚石颗粒样品之间的相对位置得到具有八个分离谱峰的ODMR谱,并通过分析每对谱峰间的频率宽度得到每个NV轴向上投影的磁场强度；利用亥姆霍兹线圈分别对金刚石样品施加沿着空间直角坐标系Z轴正反方向与Y轴正反方向上的静磁场,同时测量其ODMR谱并分析每对谱峰所对应的频率变化量；利用空间坐标转换原理建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的关系,即各NV轴指向角度。本发明只需施加四种不同的磁场矢量,通过两步测量即可实现NV轴三维空间指向的快速测量,相对于现有技术,其需要采集的数据量更少,标定速度更快。(The invention discloses a quick measurement method for three-dimensional space pointing of an NV axis, which obtains an ODMR spectrum with eight separation spectral peaks by adjusting the relative position between a permanent magnet and a diamond particle sample, and obtains the magnetic field intensity projected in each NV axis by analyzing the frequency width between each pair of spectral peaks; respectively applying static magnetic fields in the positive and negative directions of a Z axis and the positive and negative directions of a Y axis along a space rectangular coordinate system to the diamond sample by utilizing Helmholtz coils, simultaneously measuring an ODMR spectrum of the diamond sample and analyzing the frequency variation corresponding to each pair of spectrum peaks; and establishing a relation between the NV coordinate system and a space rectangular coordinate system by using a space coordinate conversion principle, namely, pointing angles of all NV axes. According to the method, only four different magnetic field vectors are applied, and the rapid measurement of the three-dimensional space pointing of the NV axis can be realized through two-step measurement, so that compared with the prior art, the method has the advantages that the data quantity required to be acquired is less, and the calibration speed is higher.)

一种NV轴三维空间指向快速测量方法

技术领域

本发明涉及矢量传感器敏感轴空间方向标定技术领域，具体涉及一种NV轴三维空间指向快速测量方法。

背景技术

金刚石是一种由碳原子按四面体成键方式互相连接构成的矿物，NV(Nitrogen-Vacancy)色心是金刚石结构中的一种具有发光特性的自旋缺陷，其主要由一个替换碳原子的氮原子及其相邻的空穴构成。近年来，由于它在室温下具有很多如光稳定性、生物相容性、化学惰性、长自旋相干以及弛豫时间等的优良的性能，使其研究越来越广泛。

金刚石NV色心具有C_3V对称，其对称轴为由氮原子和空穴形成的晶轴，称为NV轴。根据金刚石的原子结构可知，一个金刚石样本中所有NV色心的对称轴只有四个方向，如图1(a)所示。其每一个轴向NV色心的基态包含|ms＝0>和|ms＝±1>的自旋三重态，其自旋态可以通过光学检测磁共振(ODMR)技术测量得出。当受到外界静磁场影响时，每一个轴向NV色心的ODMR谱会产生塞曼***，其***宽度与静磁场在该NV轴向上的投影成正比。当受到外界微波场影响时，其微波矢量在每一个NV轴向上的投影强度也会影响该轴向NV色心的ODMR谱峰高度。因此，根据上述金刚石NV色心的性质可以利用其进行矢量静磁场与矢量微波场的测量。相比于传统的多轴矢量传感器(磁阻传感器、磁通门传感器以及SQUID等)，由于NV金刚石结构中四个等效晶轴之间的角度是固定的，其敏感轴之间的方向误差和位置误差几乎为零。另外，微米级甚至亚微米级金刚石颗粒样品还可以实现高分辨率矢量场成像测量工作。

利用上述特性进行矢量测量的所得到结果是在由四个NV轴组成的NV坐标系下，需要将其转换为空间直角坐标系下的测量数据进行分析。由于NV轴方向与金刚石晶相[111]方向一致，利用现有加工工艺我们可以得到准确的毫米级以上块状金刚石样本的111晶向，从而能够很容易的建立起该金刚石中NV轴坐标系与空间直角坐标系之间的关系。然而，对于微米级甚至纳米级的金刚石颗粒，当其固定于在空间中某一个位置时，其NV轴方向与空间直角坐标系之间相对方向是随机的，无法直接确定各NV轴在空间中的具体指向。

公开号CN109709128A的中国专利于2019年5月3日公开了一种金刚石NV轴方向标定装置及方法，其基于NV色心金刚石每个NV轴向所对应的两条ODMR谱峰的频率差值随静磁场在该NV轴向上的投影强度进行线性变化的特性，通过建立静磁场在NV坐标系下的投影与空间直角坐标下的投影之间的转换关系得到金刚石中NV轴的方向，解决了微米或纳米级金刚石颗粒的NV轴在空间中指向无法确定的问题。但是该方法需要采集的数据量较多，标定速度不够理想。

因此，本发明基于不同NV轴向的ODMR谱峰在静磁场作用下的塞曼***特性，提出了一种三维空间中金刚石颗粒NV轴定向方法来建立金刚石颗粒样品NV轴坐标系与空间直角坐标系之间的关系，以解决现有标定方法存在的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种NV轴三维空间指向快速测量方法，该方法只需施加四种不同的磁场矢量，通过两步测量即可实现NV轴三维空间指向的快速测量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种NV轴三维空间指向快速测量方法，采用NV轴向标定系统实现，所述方法包括：

获取具有八个分离谱峰的ODMR谱，分析每对谱峰间的频率宽度得到每个NV轴向上投影的磁场强度；

分别对金刚石样品施加沿着空间直角坐标系Z轴正反方向与Y轴正反方向上的静磁场，同时测量其ODMR谱并分析每对谱峰所对应的频率变化量；

建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的关系，得到各NV轴指向角度。

上述技术方案中，本发明基于不同NV轴向的ODMR谱峰在静磁场作用下的塞曼***特性，提出了一种三维空间中金刚石颗粒NV轴定向方法来建立金刚石颗粒样品NV轴坐标系与空间直角坐标系之间的关系。本发明首先通过调整永磁体与金刚石颗粒样品之间的相对位置得到具有八个分离谱峰的ODMR谱，并通过分析每对谱峰间的频率宽度得到每个NV轴向上投影的磁场强度；其次，利用亥姆霍兹线圈分别对金刚石样品施加沿着空间直角坐标系Z轴正反方向与Y轴正反方向上的静磁场，同时测量其ODMR谱并分析每对谱峰所对应的频率变化量；最后，利用空间坐标转换原理建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的关系，即各NV轴指向角度。

作为进一步的技术方案，建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的关系进一步包括：

建立NV坐标系到理想正交坐标系的转换模型B_o＝K_NoB_NV，B_o为理想正交坐标系下分量，B_NV为NV坐标系下分量，K_No为NV坐标系到理想正交坐标系的转换矩阵；

获取理想正交坐标系与空间直角坐标系的转换关系B_o＝K_eoB_e，B_e为空间直角坐标系下分量，K_eo为空间直角坐标系到理想正交坐标系的转换矩阵；

将分别对金刚石样品施加的四种不同的磁场矢量转化到理想正交坐标系下进行运算得到转换矩阵K_eo的参数，建立NV坐标系与空间直角坐标系的转换关系B_NV＝K_oNK_eoB_e，得到各NV轴指向角度。

作为进一步的技术方案，设理想正交坐标系中的坐标轴为x、y、z，NV坐标系的坐标轴分别为α、β、γ、δ；在z与α轴重合情况下，β位于xOz平面内，根据金刚石的晶体结构得知，β、γ、δ三轴与xOy平面之间的夹角相等，为a＝19.28°；γ轴与δ轴在xOy平面内的投影与x轴的夹角分别为b＝120°以及c＝-120°，因此，得到NV坐标系到理想正交坐标系的转换模型B_o＝K_NoB_NV，其中，

K_oN为理想正交坐标系到NV坐标系的转换矩阵，转换矩阵K_oN为：

作为进一步的技术方案，将空间直角坐标系XYZ经过三次旋转得到理想正交坐标系xyz，具体为：首先，令空间直角坐标系XYZ绕轴Z轴逆时针旋转角，得到中间坐标系x₁y₁Z；其次，令中间坐标系x₁y₁Z绕x₁轴逆时针旋转θ角，得到第二个中间坐标系x₁yz₁；最后，令中间坐标系x₁yz₁绕y轴逆时针旋转ω角，得到xyz坐标系。

作为进一步的技术方案，空间直角坐标系XYZ与理想正交坐标系xyz之间的转换公式为：

其中，K_ω、K_θ、分别表示空间直角坐标系到理想正交坐标系的转换矩阵的各角度分量；B_ex、B_ey、B_ez分别表示空间直角坐标系在xyz三轴上的分量。

作为进一步的技术方案，将分别对金刚石样品施加的沿着空间直角坐标系Z轴正反方向与Y轴正反方向上的静磁场转化到理想正交坐标系下进行运算，得到转换矩阵K_eo的参数θ、ω、包括：

将对金刚石样品施加的沿着空间直角坐标系Z轴的两个强度相同、方向相反的磁场矢量转化到理想坐标系下，计算得到θω值；

将对金刚石样品施加的沿着空间直角坐标系Y轴的两个强度相同、方向相反的磁场矢量转化到理想坐标系下，计算得到

值。

作为进一步的技术方案，所述NV轴向标定系统包括NV色心磁场敏感部分以及用于NV色心荧光收集的共聚焦光路；

在NV色心磁场敏感部分中：金刚石颗粒固定于锥形光纤的尖端；螺旋天线连接于微波源用于产生微波信号；亥姆霍兹磁场线圈连接高精度电流源，用于产生均匀的可调直流磁场；光纤末端的金刚石颗粒固定于亥姆霍兹线圈的中心，同时靠近天线磁场分布的最强点；钕铁硼永磁体放置于金刚石颗粒附近，为NV色心ODMR谱劈裂为八个峰提供固定磁场；

在用于NV色心荧光收集的共聚焦光路中：脉冲信号发生器用于产生控制；激光光源产生的激光经过透镜聚焦后进入声光调制器进行激光脉冲时序控制，由声光调制器射出的发散光经过透镜转为平行光并由二向色镜反射进入长工作距离物镜聚焦，聚焦后的光线通过锥形光纤的柱形截面端照射至金刚石中；金刚石产生的红色荧光信号经过长工作距离物镜转化为平行光并穿过二向色镜进入物镜聚焦；聚焦后的红色荧光由雪崩光电二极管接收并转为电信号；锁相放大器利用脉冲信号发生器产生的激光微波二次调制信号对该电信号进行采集解调。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于不同NV轴向的ODMR谱峰在静磁场作用下的塞曼***特性，建立金刚石颗粒样品NV轴坐标系与空间直角坐标系之间的关系，只需施加四种不同的磁场矢量，通过两步测量即可实现NV轴三维空间指向的快速测量，相对于现有技术，其需要采集的数据量更少，标定速度更快。

附图说明

图1(a)为根据本发明实施例的金刚石中NV轴的四种指向示意图；

图1(b)为根据本发明实施例的NV坐标系与空间直角坐标系之间的相对方向示意图；

图2为根据本发明实施例的理想正交坐标系与NV坐标系的示意图；

图3为根据本发明实施例的理想正交坐标系xyz与空间直角坐标系XYZ的转化关系示意图；

图4为根据本发明实施例的NV轴向标定实验系统示意图；

图5(a)为根据本发明实施例的线圈磁场为零时测得的ODMR信号示意图；

图5(b)为根据本发明实施例的线圈磁场为B_z+与B_z-时测得的ODMR数据对比示意图；

图6(a)-(d)为根据本发明实施例的亥姆霍兹线圈磁场产生步骤示意图。

图中：1、计算机；2、脉冲信号发生器；3、声光调制器驱动器；4、带调制功能的微波源；5、钕铁硼永磁体；6、微波开关；7、激光光源；8、声光调制器；9、共聚焦光路；10、雪崩光电二极管；11、锁相放大器；12、锥形光纤；13、亥姆霍兹线圈；14、具有NV色心的微米级金刚石颗粒；15、微波天线；16、可调电流源；100、线圈产生的Z轴正向磁场；200、线圈产生的Z轴反向磁场；300、线圈产生的Y轴正向磁场；400、线圈产生的Y轴反向磁场。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于不同NV轴向的ODMR谱峰在静磁场作用下的塞曼***特性，提出了一种三维空间中金刚石颗粒NV轴定向方法来建立金刚石颗粒样品NV轴坐标系与空间直角坐标系之间的关系。该方法首先通过调整永磁体与金刚石颗粒样品之间的相对位置得到具有八个分离谱峰的ODMR谱，并通过分析每对谱峰间的频率宽度得到每个NV轴向上投影的磁场强度；其次，利用亥姆霍兹线圈分别对金刚石样品施加沿着空间直角坐标系Z轴正反方向与Y轴正反方向上的静磁场，同时测量其ODMR谱并分析每对谱峰所对应的频率变化量；最后，利用空间坐标转换原理建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的关系，即各NV轴指向角度。

作为一种实施方式，NV轴向标定方法主要包括以下步骤：

步骤1、建立NV坐标系与空间直角坐标系转换模型

根据图1(a)，利用四种不同指向的NV轴α、β、γ、δ建立金刚石NV坐标系，该坐标系中每个轴向之间的角度为109.28°，其与固定空间直角坐标系之间的相对方向如图1(b)所示。如果要将一个固定矢量投影在NV轴分量上的三分量数据转换为空间直角坐标系三分量数据，需要建立两个坐标之间的转换关系，该转换关系可以通过两步来建立：

第一步，将NV坐标系转化为理想正交坐标系

设理想三轴直角坐标系中的坐标轴为x、y、z，NV坐标系的坐标轴分别为α、β、γ、δ；设z与α轴重合，β位于xOz平面内，根据金刚石的晶体结构可知，β、γ、δ三轴与xOy平面之间的夹角相等，为a＝19.28°；γ轴与δ轴在xOy平面内的投影与x轴的夹角分别为b＝120°以及c＝-120°，如图2所示。因此，能够得到NV坐标系下分量B_NV＝[B_α B_β B_γ B_δ]^T向理想三轴直角坐标系下分量B_o＝[B_ox B_oy B_oz]^T转换的模型如式(1)所示。

B_NV＝K_oNB_o (1)

其中，矩阵

为理想正交坐标系到NV坐标系的转换矩阵。

另外，根据式(1)可以得出NV坐标系到理想直角坐标的转换模型如(2)所示

B_o＝K_NoB_NV (2)

其中，矩阵

第二步，将理想正交坐标系xyz转化为空间直角坐标系XYZ

在上一步中，定义的理想正交坐标系的z轴与NV坐标α轴重合。而在颗粒放置过程中，无法得知α轴的指向，同时无法保证α轴与空间直角坐标系Z轴重合，因此需要建立上一步中得到的正交坐标系xyz到空间直角坐标系XYZ的转化关系，如图3所示。

XYZ坐标系经过三次旋转能够得到xyz坐标系。首先，令空间直角坐标系XYZ绕轴Z轴逆时针旋转角，得到中间坐标系x₁y₁Z；其次，令中间坐标系x₁y₁Z绕x₁轴逆时针旋转θ角，得到第二个中间坐标系x₁yz₁；最后，令中间坐标系x₁yz₁绕y轴逆时针旋转ω角，得到xyz坐标系。这两个坐标系之间三分量转换公式如式(3)所示。

根据以上两步，能够建立起NV坐标系与空间直角坐标之间的转换关系，如式(4)所示

B_NV＝K_oNK_eoB_e (4)

由于金刚石样品中NV轴指向在空间中是随机的，所以矩阵K_eo中

角是未知的。因此，只要得到的值，就可以建立起NV坐标系与空间直角坐标系之间的转换关系。

步骤2、确定模型参数

为了解析式(4)中的

值，需要得到已知的外部磁场矢量NV坐标系下的磁场分量，并利用式(1)将其转化为理想三轴直角坐标系下的三分量B_o进行运算分析。

沿着空间直角坐标系中Z轴的两个强度相同B_b方向相反的磁场矢量B_e+＝[0 0 B_b]^T与B_e-＝[0 0 -B_b]^T，其在理想三轴直角坐标系下具有不同的分量值B_o+与B_o-，根据式(3)可以得到它们之间的关系如下：

根据式(5)可以得出θω值，如式(6)所示。

同理，沿着空间直角坐标系中Y轴的两个强度相同方向相反的磁场矢量在理想三轴直角坐标系下的三分量B’_o+与B’_o-之间具有类似的关系，从而可以得出

值如(7)所示。

实施例

本实施例提供一种NV轴三维空间指向快速测量方法，首先搭建NV轴向标定实验系统，如图4所示。该系统主要由两部分构成，分别为NV色心磁场敏感部分以及用于NV色心荧光收集的共聚焦光路，其主要用于得到已知的固定磁场矢量在NV坐标系下的各分量值。

在NV色心磁场敏感部分中，利用UV胶将10um金刚石颗粒固定于锥形光纤的尖端。螺旋天线连接于微波源用于产生微波信号，其谐振频率为2.87GHz，谐振带宽200MHz。亥姆霍兹磁场线圈连接高精度电流源，用于产生均匀的可调直流磁场。光纤末端的金刚石颗粒固定于亥姆霍兹线圈的中心，同时靠近天线磁场分布的最强点。钕铁硼永磁体放置于金刚石颗粒附近，为NV色心ODMR谱劈裂为八个峰提供固定磁场。

在共聚焦光路系统中，脉冲信号发生器用于产生控制。532nm激光器产生的绿色激光经过透镜聚焦后进入声光调制器(AOM)进行激光脉冲时序控制，由AOM射出的发散光经过透镜转为平行光并由二向色镜反射进入长工作距离物镜聚焦，聚焦后的光线通过锥形光线的柱形截面端照射至金刚石中。金刚石产生的红色荧光信号经过长工作距离物镜转化为平行光并穿过二向色镜进入物镜聚焦。聚焦后的红色荧光由APD接收并转为电信号，锁相放大器利用脉冲信号发生器产生的激光微波二次调制信号对该电信号进行采集解调。

在整个实验过程中，NV色心在空间中的位置应始终保持固定，荧光激发为脉冲波激发。在线圈磁场为零时，首先调节永磁体相对于金刚石的位置方向，直到测得ODMR谱信号出现离散的8个峰。为了减小随机误差影响，同时采集10组ODMR数据进行均值运算，并对运算结果进行洛伦兹拟合分析，如图5(a)所示。我们将每对谱峰所对应的轴向依次定义为α、β、γ、δ轴，并记录下得到每对谱峰的劈裂宽度f_α、f_β、f_γ、f_δ。其中，每对谱峰的劈裂是由永磁体产生的磁场矢量在对应的NV轴向上的磁场分量所引起的，当该磁场较弱时|B|＜＜D/g_eβ_e(D＝2.87GHz)，每对谱峰的劈裂宽度f_n与对应的磁场分量强度B_n成固定比例关系，如式(8)所示。

f_n≈2g_eβ_eB_n (8)

其中，g_e朗德因子，β_e为玻尔磁子。

线圈轴向分别令线圈产生沿空间直角坐标系Z轴的强度相同方向相反的两种线圈磁场B_z+与B_z-，如图6(a)(b)所示，同时测量其ODMR信号并进行洛伦兹拟合。图5(b)为线圈磁场B_z+与B_z-时测得的ODMR拟合数据对比。从图中可以看出，在永磁体产生的磁场引起各ODMR谱峰发生劈裂的基础上，线圈磁场导致了每对谱峰的劈裂宽度产生变化。根据图5(a)中的结果，能够得到不同线圈磁场强度下的每对谱峰劈裂宽度的变化量ΔF＝[Δf_α,Δf_β,Δf_γ,Δf_δ]^T。由于线圈产生的磁场同样较弱，因此利用式(8)可以计算得出沿着Z轴正反方向的线圈磁场在NV坐标系下的磁场分量。其次，利用式(2)将该分量值转化为理想正交坐标系下的三分量磁场值，并通过式(6)计算得出θω值。

另外，将线圈绕x轴旋转90°后，如图6(c)(d)所示，分别令线圈产生沿空间直角坐标系Y轴的强度相同方向相反的两种线圈磁场，同时测量其ODMR信号并进行洛伦兹拟合。同理，通过式(7)以及以上得到的θω值可以计算得出值。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。