阅读说明：本技术 基于dac装置探测金刚石nv色心的odmr谱的实验装置 (Experimental device for detecting ODMR spectrum of diamond NV color center based on DAC device ) 是由 韩永昊 杨磊 赵琳 田慧锋 高春晓 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于DAC装置探测金刚石NV色心的ODMR谱的实验装置,所述激光器射出的光路上依次安装有扩束透镜、反射镜二、反射镜一、聚焦镜头、红宝石和金刚石NV色心；所述红宝石及金刚石NV色心发出的荧光的光路上依次设有聚焦镜头、滤波镜片和准直透镜、光电探测器,光电探测器连接信号采集器；所述微波发生器通过SMA端口连接线依次与功率放大器、铜线连接；铂线两端连有铜线；所述金刚石NV色心挑至铂线附近。发明提供的基于DAC装置探测金刚石NV色心的ODMR谱的实验装置,结构简单,为超导现象的检测等提供了新的选择。(The invention discloses an experimental device for detecting an ODMR spectrum of a diamond NV color center based on a DAC device, wherein a beam expanding lens, a second reflecting mirror, a first reflecting mirror, a focusing lens, a ruby and the diamond NV color center are sequentially arranged on a light path emitted by a laser; a focusing lens, a filtering lens, a collimating lens and a photoelectric detector are sequentially arranged on a light path of fluorescence emitted by the ruby and diamond NV color center, and the photoelectric detector is connected with a signal collector; the microwave generator is sequentially connected with the power amplifier and the copper wire through the SMA port connecting wire; copper wires are connected with two ends of the platinum wire; the diamond NV centre is chosen to be near the platinum wire. The experimental device for detecting the ODMR spectrum of the NV color center of the diamond based on the DAC device has a simple structure, and provides a new choice for detection of a superconducting phenomenon and the like.)

基于DAC装置探测金刚石NV色心的ODMR谱的实验装置

技术领域

本发明属于探测技术领域，具体涉及一种基于DAC装置探测金刚石NV色心的ODMR谱的实验装置。

背景技术

DAC(金刚石对顶砧)装置是一种目前唯一可产生百万大气压静高压的实验装置。该装置结合电学、光学、声学、热学、磁学等在内的物理学科下属分支的实验技术已经趋于成熟，这些技术手段为探索高压下新物质的获得、物质的结构相变、高压相变的截获与预测、改善材料物理性能、地球科学及材料压致超导现象的发生等提供了新的思路和实验条件。

金刚石NV色心作为一种灵敏度高的元件，在微位移测量、生物活体成像、量子计算、弱磁场检测等领域具有极高的应用价值。目前，金刚石NV色心的制备技术及常温常压ODMR(光探测磁共振)探测手段已经成熟，但基于DAC装置探测高压条件下金刚石NV色心的ODMR谱实验手段多较复杂、使用元器件数目较多。

在金刚石NV色心的已知能级中，它的基态³A₂是由电子自旋m_s＝0和±1次能级构成的三重简并态。当电子由³E激发态退激发到³A₂基态时，会辐射能量E＝1.945eV的光子，发出波长λ＝637nm的荧光。金刚石NV色心在波长为532nm的激光辐照的条件同时引入微波场，会发现在2.87GHz左右，m_s＝0和±1次能级之间会形成磁偶极子震荡。而在电子由激发态退激发到基态的过程中，会有部分能量以非辐射跃迁的形式释放，导致此时的荧光强度相比于没有引入微波场的时候低。因而形成对应于m_s＝±1电子自旋共振吸收峰，即金刚石NV色心的光探测磁共振。

红宝石可用于压标的原理是红宝石在激光辐照下会发出荧光，且荧光的波长随着压力变化会发生位移。红宝石有两条荧光线，分别为R₁和R₂。实验通常采用的是R₁线。确定红宝石荧光R₁的位置后，带入压力标定公式，即可得知此时的压力值。

传压介质的作用就是将施加的压力传递到样品上去，在整个腔体内形成准静压的实验条件。根据要求，可以选择固态、液态或气态物质作为传压介质，且采用不同的传压介质对实验结果也会产生不同的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于DAC装置探测金刚石NV色心的ODMR谱的实验装置，用于压力条件下其ODMR信号的获取，以此促进极端条件下弱磁场检测技术与超导检测技术的进步。

本方案采取以下的方案：

基于DAC装置探测金刚石NV色心的ODMR谱的实验装置，包括金刚石NV色心，聚焦镜头，反射镜一，滤波镜片，准直透镜，光谱仪，反射镜二，扩束透镜，激光器，光电探测器，微波发生器，SMA端口连接线，功率放大器，铂线，铜线，DAC装置，垫片，红宝石，信号采集器；

所述激光器射出的光路上依次安装有扩束透镜、反射镜二、反射镜一、聚焦镜头、红宝石和金刚石NV色心；所述扩束透镜使激光器光束直径和发散角变大；所述反射镜一与反射镜二在激光照射红宝石及金刚石NV色心时方向保持一致，以确保与激光光束方向平行；所述红宝石及金刚石NV色心均挑至金刚石砧面上后置于激光器的三维平台上；所述红宝石及金刚石NV色心依次放置于聚焦镜头的焦点处；

所述红宝石及金刚石NV色心发出的荧光的光路上依次设有聚焦镜头、滤波镜片和准直透镜、光电探测器，光电探测器连接信号采集器；所述红宝石及金刚石NV色心产生的荧光经聚焦镜头、滤波镜片和准直透镜进入到光电探测器并由信号采集器进行信号收集；所述金刚石NV色心的ODMR谱由信号采集器采集记录；所述反射镜一需在荧光信号采集前移除或镜片倒置；所述准直透镜将来自于滤波镜片的荧光变成平行的准直光束；

所述微波发生器通过SMA端口连接线依次与功率放大器、铜线连接；所述微波发生器发出的微波信号经SMA端口连接线与功率放大器连接后传输至铜线；

还包括铂线，铂线两端连有铜线；金刚石NV色心紧邻铂线。

所述激光器发出的激光波长为532nm。

所述聚焦镜头、反射镜一、滤波镜片、准直透镜、光谱仪、反射镜二、扩束透镜、激光器处于同一水平台上。

所述DAC装置需要布置两跟铜线，两根铜线用胶水固定在金刚石侧棱上，端面削成35°左右。所述铜线的长度尽可能短，以减少微波传输过程中的损失。

所述DAC装置需含有允许铜线出入端口，且铜线的直径要小于出入端口的直径，外层要有绝缘层且出口末端接地。

所述铂线采用银浆与两端的铜线固定，随后在烘箱内加热至150°，加热时间持续30分钟左右。所述铂线切割时保证其宽度在10-20微米内，长度能够确保与两侧铜线相连。所述铂线横跨金刚石砧面的中心。所述垫片要与铂线绝缘。

所述金刚石NV色心与红宝石放置在垫片的样品腔内，垫片放置在金刚石砧面上，下端由真空泥固定。

信号采集器采用的是LabVIEW软件编写的程序。

实验过程为：所述激光器发出的激光通过扩束透镜后经两个反射镜入射到聚焦透镜后依次照射红宝石及金刚石NV色心；所述红宝石及金刚石NV色心发射出的荧光依次经聚焦透镜、滤波透镜、准直透镜后进入光电探测器实现光电信号转换并由信号采集器进行信号采集。所述信号采集完毕后，打开微波发生器及功率放大器电源开关。所述金刚石NV色心的ODMR谱光信号经聚焦透镜、滤波透镜、准直透镜后进入光电探测器实现光电信号转换并由信号采集器进行信号采集。

所述一组信号采集完成之后，旋转DAC装置的加压柱，并重复以上步骤，获得不同压力条件下的ODMR谱。

本发明提供的基于DAC装置探测金刚石NV色心的ODMR谱的实验装置，结构简单，为超导现象的检测等提供了新的选择。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明装置的实验流程图。

图中：1-金刚石NV色心，2-聚焦镜头，3-反射镜一，4-滤波镜片，5-准直透镜，6-光谱仪，7-反射镜二，8-扩束透镜，9-激光器，10-光电探测器，11-微波发生器，12-SMA端口连接线，13-功率放大器，14-铂线，15-铜线，16-DAC装置，17-垫片，18-红宝石，19-信号采集器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施进行详细说明。

如图1所示，基于DAC装置探测金刚石NV色心的ODMR谱的实验装置，包括金刚石NV色心1，聚焦镜头2，反射镜一3，滤波镜片4，准直透镜5，光谱仪6，反射镜二7，扩束透镜8，激光器9，光电探测器10，微波发生器11，SMA端口连接线12，功率放大器13，铂线14，铜线15，DAC装置16，垫片17，红宝石18，信号采集器19。

所述激光器9射出的光路上依次安装有扩束透镜8、反射镜二7、反射镜一3、聚焦镜头2、红宝石18和金刚石NV色心1；所述扩束透镜8使激光器9光束直径和发散角变大；所述反射镜一3与反射镜二7在激光照射红宝石18及金刚石NV色心1时方向保持一致，以确保与激光光束方向平行；所述红宝石18及金刚石NV色心1均挑至金刚石砧面上后置于激光器9的三维平台上；所述红宝石18及金刚石NV色心1依次放置于聚焦镜头2的焦点处；

所述红宝石18及金刚石NV色心1发出的荧光的光路上依次设有聚焦镜头2、滤波镜片4和准直透镜5、光电探测器10，光电探测器10连接信号采集器19；所述红宝石18及金刚石NV色心1产生的荧光经聚焦镜头2、滤波镜片4和准直透镜5进入到光电探测器10并由信号采集器19进行信号收集；所述金刚石NV色心1的ODMR谱由信号采集器19采集记录；所述反射镜一3需在荧光信号采集前移除或镜片倒置；所述准直透镜5将来自于滤波镜片4的荧光变成平行的准直光束；

所述微波发生器11通过SMA端口连接线12依次与功率放大器13、铜线15连接；所述微波发生器11发出的微波信号经SMA端口连接线12与功率放大器13连接后传输至铜线15；

还包括铂线14，铂线14两端连有铜线15；

所述金刚石NV色心1挑至铂线14附近。

在DAC装置16中的一颗金刚石侧棱两端布置两根铜线15，端口处削至35°左右后由AB胶固定。

将SMA端口连接线12末端的屏蔽层去除后，与其中一端铜线15用焊锡固定，另一端铜线15的末端与SMA端口连接线12的屏蔽层相连。

在两侧铜线15端口处连接一段铂线14，端口处由银浆固定好后使用烘箱在150°温度点下加热30分钟。铂线14均分金刚石砧面。

在DAC装置16内压好垫片17，随后用激光打孔机完成垫片的打孔后，压一层绝缘粉。复原至垫片17原来的位置，并将金刚石NV色心1及红宝石18挑至垫片17样品腔内，采用硅油作为传压介质。合并DAC装置16，用加压柱加以固定。所述聚焦镜头2、反射镜一3、滤波镜片4、准直透镜5、光谱仪6、反射镜二7、扩束透镜8、激光器9处于同一水平台上。所述红宝石18及金刚石NV色心1依次放置于聚焦镜头2的焦点处。

打开激光器9后，激光器9发出的激光通过扩束透镜8后经反射镜一3、反射镜二7两反射镜入射到聚焦透镜2后依次照射红宝石18及金刚石NV色心1。反射镜一3、反射镜二7两个反射镜放置方位保持方向一致。所述红宝石18及金刚石NV色心1产生的荧光依次经聚焦镜头2、滤波镜片4和准直透镜5进入到光电探测器10并由信号采集器19进行信号收集；

所述信号采集器19采用的是LabVIEW软件编写的程序。打开微波发生器11和功率放大器13开关后，调整激光器9的三维平台，将激光焦点处于金刚石NV色心1处。重复上述四个步骤。金刚石NV色心1的ODMR谱信号依次经经聚焦镜头2、滤波镜片4和准直透镜5进入到光电探测器10并由信号采集器19进行信号收集；随后，不断旋转加压柱，根据红宝石荧光峰峰位变化获得不同压力值以及相应压力点下金刚石NV色心1的ODMR谱。此装置避免了复杂元器件的使用及相关电路的焊接，简单易行。

以上是该测量方法的实现方案，但并不局限于此。任何以本方法为基础解决基本相同的问题或技术效果，所做出的简单变化、修饰均在本方法的保护之内。