阅读说明：本技术 一种在局部维持恒定均匀磁场且方向强度精密调节的装置 (Device for maintaining constant uniform magnetic field locally and precisely adjusting direction strength ) 是由 李中豪 刘俊 唐军 郭浩 王天宇 马宗敏 温焕飞 于 2019-11-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种在局部维持恒定均匀磁场且方向强度精密调节的装置,包括带旋转平台的双轴线性位移平台(1),手动线性位移台(4)、光学导轨(5)、手动旋转位移台(6)、单轴位移台(7)及光学姿态调整器(3)、支架(8)；所述支架(8)的底部固定安装于带旋转平台的双轴线性位移平台(1)的旋转平台(11)上,所述单轴位移台(7)纵向固定安装于支架(8)顶部,所述单轴位移台(7)的活动座上固定安装手动旋转位移台(6),所述手动旋转位移台(6)的旋转部(61)上横向固定安装光学导轨(5)。本装置可用于需要方向可控的磁场环境的量子传感实验,尤其是各种NV色心传感器的研究实验。(The invention discloses a device for maintaining a constant uniform magnetic field locally and precisely adjusting the directional strength, which comprises a double-shaft linear displacement platform (1) with a rotary platform, a manual linear displacement platform (4), an optical guide rail (5), a manual rotary displacement platform (6), a single-shaft displacement platform (7), an optical attitude adjuster (3) and a bracket (8); the bottom fixed mounting of support (8) is on rotary platform (11) of the biax linear displacement platform (1) of taking rotary platform, vertical fixed mounting in support (8) top of unipolar displacement platform (7), manual rotatory displacement platform (6) of fixed mounting on the sliding seat of unipolar displacement platform (7), horizontal fixed mounting optical guide (5) on rotating part (61) of manual rotatory displacement platform (6). The device can be used for quantum sensing experiments in magnetic field environments with controllable directions, in particular to research experiments of various NV color center sensors.)

一种在局部维持恒定均匀磁场且方向强度精密调节的装置

技术领域

本发明涉及量子传感实验器件的技术领域，具体是一种利用两个永磁体在其中间的局部维持恒定均匀的磁场并通过电磁线圈进行磁场调节的装置。

背景技术

均匀磁场是一个常用物理概念，它是一个理想化概念，完全均匀的磁场是不存在的。匀强磁场是指内部的磁场强弱和方向处处相同的磁场，它的磁感线是一系列疏密间隔相同的平行直线。然而，在实际中，完全均匀的磁场是不存在的，在精密实验中所使用的均匀磁场内部，不同位置的磁场强弱和磁场方向是需要尽量不发生波动的。磁场均匀度用(磁场强度的最大值-磁场强度的最小值)×10⁶/(中心磁场强度或平均磁场强度)求出，得到的值越小，表示磁场均匀度越高。

近年来，金刚石NV-色心在量子测量领域的应用引起研究人员的关注，采用 NV-色心中的电子自旋可以实现磁场的测量。基于电子自旋对磁场敏感特性通过光学及微波实现NV-色心电子自旋的操控，会使得电子自旋布局数发生变化，进而使荧光强度变化，实现磁场的测量。内含NV-色心的金刚石可在室温下进行工作，不需要温度控制装置，且金刚石是固体材料，敏感探头可以很小，可拥有较高的空间分辨率。在进行NV-色心实验，需保持其外界磁场的稳定，这就需要使金刚石处于恒定均匀磁场中，并且磁场方向需要和其晶向相适配，因为金刚石NV-色心不同晶向在磁场不同方向下的极化程度是不同的。

目前用于科学实验研究的磁场装置主要有两种，一种是使用永磁体，通过改变两块永磁体的间距来产生不同强度的磁场，这种方式产生的磁场不仅不能确保均匀性与稳定性，而且方向固定。另一种是通过给固定位置的线圈通电来产生磁场，这种方式产生的磁场只能沿着某一特定方向，不能做到方向可控。

针对上述问题，本发明拟开发一种方向、梯度可控的在局部维持恒定均匀磁场的装置。

发明内容

本发明目的是提供一种能够在局部维持并调节均匀恒定磁场，并可实现三维姿势精密调节磁场强度方向以为NV-色心磁实验提供外加磁场的三维调节平台。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种在局部维持恒定均匀磁场且方向强度精密调节的装置，包括带旋转平台的双轴线性位移平台、手动线性位移台、光学导轨、手动旋转位移台、单轴位移台及光学姿态调整器、支架。

所述支架的底部固定安装于带旋转平台的双轴线性位移平台的旋转平台上，所述单轴位移台纵向固定安装于支架顶部，所述单轴位移台的活动座上固定安装手动旋转位移台，所述手动旋转位移台的旋转部上横向固定安装光学导轨，所述光学导轨两侧分别设有滑块，所述滑块上固定安装手动线性位移台，所述手动线性位移台的活动端安装光学调整架，所述光学调整架安装有圆柱形永磁体，两个圆柱形永磁体的N极和S极相向，每个圆柱形永磁体上缠绕有线圈。

使用时，带旋转平台的双轴线性位移台固定在实验平台上带旋转平台的双轴线性位移台1带有X轴和Y轴的测微头，可实现均匀磁场沿x轴y轴方向的位移，调节带旋转平台的双轴线性位移台上的刻度转盘旋钮，则旋转平台可带动均匀磁场发生旋转中心沿z轴方向的360°旋转；单轴位移台通过支架固定在双轴线性位移台的旋转平台上，其配有测微头，可实现均匀磁场沿z轴方向的位移；手动旋转位移台固定在单轴位移台的活动座上，其旋转平台可以连续旋转360°，可实现均匀磁场发生旋转中心沿y轴方向的360°旋转；燕尾式光学导轨固定在手动旋转位移台的旋转部上，燕尾式光学导轨可随着手动旋转位移台的旋转部连续旋转360°；手动线性位移台固定在燕尾式光学导轨上导轨滑块上，通过导轨滑块可实现均匀磁场沿燕尾式光学导轨方向发生位移，共有两个导轨滑块，以实现成对的磁场发生装置在其两者中间产生均匀磁场；手动线性位移台可实现一轴移动，可对均匀磁场沿燕尾式光学导轨方向的位移进行微调；光学姿态调整器连接在手动线性位移台的位移平台（活动端）上，通过调节其上旋钮，可实现两个相向永磁体相对角度调节，也可实现相对转动调节，用来调节磁场发生装置的姿态用以保证实验样品周围的磁场均匀；磁场发生装置由两块永磁体和缠绕在其上的线圈组成，两永磁体磁度相同，其两极中心位置产生的磁场大致均匀，线圈可通过调节其中通过电流大小调节其产生的磁场，从而微调均匀磁场，两永磁体中心可实现均匀磁场，在此位置可放置实验样品带NV色心的金刚石。

本发明装置设计合理，通过调节装置上的测微头及旋钮进行位置调整，可在两永磁体中间附近的较大范围内产生方向可控且均匀稳定的磁场，可用于需要方向可控的磁场环境的NV色心实验，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1表示本发明装置的整体示意图。

图2表示图1的主视图。

图3表示图1的左视图。

图4表示图1的俯视图。

图5a表示两永磁体间磁场的仿真磁场流线图，中间方框为实验平台位置，白色范围的磁场强度为200G以上。

图5b表示图5a中方框区域放大图。

图6a表示金刚石NV色心晶向示意图。

图6b表示两个ODMR曲线峰值点飘移示意图。

图7a表示在一次对均匀磁场区域测量实验中得到所有像素点平均的ODMR曲线极其洛伦兹拟合曲线。

图7b表示在图7a中该次对均匀磁场区域测量实验成像得到的磁场图。

图中：1-带旋转平台的双轴线性位移台，11-旋转平台，2-圆柱状永磁体，3-（紧凑型）光学姿态调整器，4-手动线性位移台，5-（燕尾式）光学导轨，51-滑块，6-手动旋转位移台，61-旋转部，7-单轴位移台，8-支架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种在局部维持恒定均匀磁场且方向强度精密调节的装置，利用两个永磁体在其中间的局部维持恒定均匀的磁场并通过电磁线圈进行磁场调节，包括带旋转平台的双轴线性位移平台1，手动线性位移台4、光学导轨5、手动旋转位移台6、单轴位移台7及光学姿态调整器3、支架8。

如图1、2、3、4所示，支架8由底板、支柱、顶架构成。支架8的底部固定安装于带旋转平台的双轴线性位移平台1的旋转平台11上，单轴位移台7纵向固定安装于支架8顶部，单轴位移台7的活动座上固定安装手动旋转位移台6，手动旋转位移台6的旋转部61上横向固定安装光学导轨5，光学导轨5两侧分别设有滑块51，滑块51上固定安装手动线性位移台4，手动线性位移台4的活动端安装光学姿态调整架3，光学姿态调整架3安装有圆柱形永磁体2，两个圆柱形永磁体2的N极和S极相向，每个圆柱形永磁体2上缠绕有线圈后构成磁场发生装置。

具体组装时，带旋转平台的双轴线性位移台1作为底座，其旋转平台11通过螺栓安装支架8的底板，支架8中底板、顶架和立柱垂直，支架8的顶架通过螺栓与单轴位移台7的固定座相连接，并保证单轴位移台7可调位移沿竖直方向；手动旋转位移台6通过螺栓固定安装在单轴位移台7的活动座上；燕尾式光学导轨5通过螺栓固定安装在手动旋转位移台6的旋转部61上；手动线性位移台4通过螺栓安装在燕尾式光学导轨5的滑块51上，使其可沿燕尾式光学导轨5进行直线位移，滑块51也可以通过固连装置使其相对于燕尾式光学导轨5固定，手动线性位移台4的位移方向为水平沿燕尾式光学导轨5方向，可用于两磁场发生装置间距的微调；光学姿态调整器3通过铝柱和方向转换装置固定在手动线性位移台4的活动端，光学姿态调整器3用以调节保证实验样品周围的磁场均匀，磁场发生装置由两块永磁体2和缠绕在其上的线圈组成，两永磁体磁度相同，其两极中心位置产生的磁场大致均匀，线圈通电能产生微小磁场用以调节实验磁场的均匀度。

本装置使用时，利用带旋转平台的双轴线性位移台1上的四个柱形沉头孔，可将本装置固定在实验平台上，这更加确保了本装置的稳定性，带旋转平台的双轴线性位移台1由旋转平台和双轴线性位移台组成，带有X轴和Y轴的测微头（手柄），提供13mm行程，分度为10μm，可实现均匀磁场沿x轴y轴方向的位移，旋转平台上均匀排布有各种规格螺丝口，旋转平台上有刻度可相对于底座以圆盘中心为轴发生转动，调节带旋转平台的双轴线性位移台1上的刻度转盘旋钮，则旋转平台11可带动均匀磁场发生旋转中心沿z轴方向的360°旋转；单轴位移台7通过支架8固定在双轴线性位移台1的旋转平台上，其配有公制150~801ME测微头，行程范围为25.0mm，分度为10μm，可实现均匀磁场沿z轴方向的位移；手动旋转位移台6固定在单轴位移台7的活动座上，其旋转平台可以连续旋转360°，旋转平台的外圆周刻度间隔为2°，可实现均匀磁场发生旋转中心沿y轴方向的360°旋转；燕尾式光学导轨5固定在手动旋转位移台6的旋转部（旋转平台）上，导轨的长度范围为300mm，导轨刻度的分度为1.0mm，燕尾式光学导轨5可随着手动旋转位移台6的旋转部连续旋转360°；手动线性位移台4通过夹具立柱等固定在燕尾式光学导轨5上导轨滑块51上，通过导轨滑块可实现均匀磁场沿燕尾式光学导轨5方向发生位移，共有两个导轨滑块系统，以实现成对的磁场发生装置在其两者中间产生均匀磁场；手动线性位移台4可实现一轴移动，且带有一个侧装式千分尺，用6.5mm行程千分尺驱动，分度为0.05mm，可对均匀磁场沿燕尾式光学导轨5导轨方向的位移进行微调；光学姿态调整器3连接在手动线性位移台4的位移平台（活动端）上，提供±4°的角位移范围，以及15mrad/圈的旋转调整，通过调节其上旋钮，可实现两个相向永磁体相对角度调节，也可实现相对转动调节，用来调节磁场发生装置的姿态用以保证实验样品周围的磁场均匀；磁场发生装置由两块永磁体和缠绕在其上的线圈组成，两永磁体磁度相同，其两极中心位置产生的磁场大致均匀，线圈可通过调节其中通过电流大小调节其产生的磁场，从而微调均匀磁场。永磁体为半径6mm、高15mm圆柱体，两永磁体间距调整范围为 50~150mm，调整精度为0.1mm，角位移范围为±8°，旋转调整范围为30mrad/圈；磁场发生装置的永磁体磁场强度范围可选用100~1000kA/m，在两个永磁体中心部分大约5mm×5mm×5mm处产生均匀磁场可为1~500G，精度大约为10G/mm，线圈通电能产生微小磁场用以调节实验磁场的均匀度，两永磁体中心可实现均匀磁场，在此位置可放置实验样品带NV色心的金刚石。

如图5a所示为comsal仿真等高线磁场图，永磁体磁场强度设定为700 kA/m，两个永磁体中心部分大约5mm×5mm×5mm处产生均匀磁场为121~145G，沿斜对角线方向的精度为10G/mm。

如图6b所示，在532mm激光和微波共同作用下金刚石NV色心发出红色荧光，这个荧光的强度随微波频率变化会在共振点处产生下降，从而产生双峰的ODMR，外加磁场可将其***为八峰。由于金刚石NV色心具有四种晶向（如图6a所示），在外加磁场与其晶轴方向相同时会出现均匀分布的八峰ODMR。而使用块状金刚石时需要金刚石整体处于均匀单向磁场当中，这时可以通过采集金刚石上单点处的ODMR曲线判断其磁场大小，通过采集多点的ODMR曲线，并判断其峰值点的飘移可以确定磁场均匀程度。

如图7a、7b所示，这是对均匀磁场区域测量实验成像得到的磁场图。成像的视场范围为20μm×25μm，处于本装置的理论均匀磁场范围内，其磁场强度为128G~128.3G（一个颜色单位为0.125G），其沿斜对角线方向的磁场变化率为10.7G/mm，在的视场范围内，磁场变化体与模拟是基本一致，误差小于1%。

具体实施时，平台及支架，整体为铝制材料，不会对磁场产生影响。带旋转平台的双轴线性位移台1、磁场发生装置、紧凑型光学姿态调整器3、手动线性位移台4、燕尾式光学导轨5、手动旋转位移台6及单轴位移台7均可外购，属于成熟产品。

本装置可用于需要方向可控的磁场环境的量子传感实验，尤其是各种NV色心传感器的研究实验。

以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。