具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

现有基于NV色心的精密测磁技术主要基于激发光来极化NV色心，并使用微波场对NV色心进行操控，通过读出NV色心产生的荧光信号强度变化得到NV色心自旋量子态的布居度，从而能够得到外部磁场的强度。而本公开将基于以NV色心为代表的固态自旋所产生的荧光对磁场的响应特征，结合磁通聚集方法或环境能源收集方法，来实现低功耗甚至无人工能源情形的固态自旋对外部磁场的测量。

本公开的实施例提供了一种固态自旋磁传感器，包括：光学单元，用于提供光源；磁敏感单元，用于将部分所述光源转换成荧光信号；其中，磁敏感单元设置于至少两个相对设置的磁场增益单元之间，磁场增益单元用于为磁敏感单元提供偏置磁场，并放大待测外部磁场的磁感应强度；探测单元，用于探测所述荧光信号及另一部分所述光源，并将信号进行数字转换处理得到数字信号，该数字信号携带所述待测外部磁场的信息、。

本公开的实施例提供了一种固态自旋磁传感器，可以不采用任何微波器件，利用金刚石中的固态自旋对外磁场的光学响应特性实现对外磁场变化量的测量；其光学单元可以通过收集自然光源或采用低成本低功耗人造光源来实现对磁敏感单元的固态自旋进行光学激发；其磁场增益单元为磁敏感单元提供所需的合适偏置场的同时，通过放大待测磁场以提升灵敏度；在收集自然光源对固态自旋进行激发时，为了实现自容式的无人工供能传感器，探测单元采用小型自然能源发电机进行供能。该固态自旋磁传感器通过激发光调制法或者磁场调制法，能够有效提高传感器的灵敏度以及抗干扰能力。本公开的实施例提供的固态自旋磁传感器实现了全光学条件下的高灵敏度、高集成度、低功耗的新型复合式全光磁测量方法及磁传感器。

下面将结合本公开具体的实施例中的固态自旋磁传感器的结构，对本公开的技术方案进行详细说明。应当理解，图1中示出的固态自旋磁传感器的结构仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。

图1示意性示出了根据本公开一实施例的固态自旋磁传感器的结构示意图。本实施例提供一种基于NV色心对磁场的光学响应原理、利用环境能源供能、结合磁通聚集器的固态自旋磁传感器。

如图1所示，该固态自旋磁传感器，包括：

光学单元10，用于提供激发光。

根据本公开的实施例，该光学单元10包括集光子单元或光源子单元中的一种或多种。在本实施例中，以该光学单元10包括集光子单元为例，如图1所示，该集光子单元包括透镜、抛物面聚光器、滤光片、凹面镜、平面镜中的一种或多种，集光子单元用于将自然光源进行滤光及聚焦处理，得到激发光，例如该集光子单元可以包括滤光片110和透镜120，其中，太阳光等自然光源经过滤光片110后，特定的波长成分被保留，再部分光源经过透镜120进行聚焦后照射到磁敏感单元20上。

磁敏感单元20，用于将部分激发光转换成荧光信号。其中，磁敏感单元20设置于至少两个相对设置的磁场增益单元30之间，磁场增益单元30用于为磁敏感单元20提供偏置磁场，并放大待测外部磁场的磁感应强度。该磁敏感单元20输出的荧光信号携带待测外部磁场的频率以及磁感应强度等信息。

本公开实施例中，经过透镜120聚焦后的激发光照射到磁敏感单元20上，产生荧光信号。其中，该磁敏感单元20为具有NV色心(氮-空穴缺陷)的金刚石，金刚石样品可以为任意晶向，NV色心由氮缺陷和邻近空穴组成。NV色心未成对电子组成一个自旋三重态-单态体系，其三重态的基态³E与第一激发态³A之间的能极差为1.945eV，对应零声子线是637nm。所以当用一束能量大于或等于1.945eV的激发光激发NV色心时，NV色心会电子被激发到激发态，而后电子会有极大概率退激发回到基态上，进而发出荧光光子，形成荧光。当电子自旋处在激发态m_s＝±1的能级上时，电子会有较大概率经过单态豫驰到基态的m_s＝0能级上，不会有光子发出。在无外磁场时，辐射跃迁的过程保持自旋状态不变，在有横向磁场时，自旋态发生交叠，其有更大的概率通过非辐射跃迁返回基态，导致荧光光强下降，因此可以通过荧光下降的大小定量的测量外磁场大小，对于外磁场沿金刚石晶向的情况，其荧光随外部磁场变化如图2所示。可知，随着外部磁场的强度增加，相对荧光强度降低。

优选地，可以利用镀膜工艺给磁敏感单元20增加表面处理结构，该表面处理结构可以是金属膜，例如金膜、银膜、铝膜等，可以再结合一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等保护膜进一步保护表面处理结构的稳定性。

磁场增益单元30为加工成特定的形状，如梯台形、圆柱型、长条型等，其由高磁导率材料构成，该高磁导率材料为铁、钴、镍、及铁氧体中的一种或多种。磁敏感单元20位于多个相对设置的磁场增益单元30的中心。在处于磁场中时，磁敏感单元处的磁场将大于不存在增益单元时的磁场，增益系数为G，通过调节磁场增益单元30与环境磁场的方向(即夹角θ)，可以获得不同的放大倍数，如图3所示，由此其可以实现放大待测外部磁场以及为固态自旋体系提供所需的合适偏置场。需说明的是，图3b为图3a中A部分的放大图。

探测单元40，用于探测所述荧光信号及另一部分激发光，并将信号进行数字转换处理得到数字信号，该数字信号携带待测外部磁场的信息，该信息至少包括待测外部磁场的频率以及磁感应强度等信息。其中，另一部分光源在探测单元40中提供激发光的背景场信息，用于修正磁场测量中由于激发光强度变化的影响。

本实施例中，探测单元40包括光探测子单元410及数据采集子单元420。其中，光探测子单元410包括第一光电探测器411和第二光电探测器412，第一光电探测器411用于探测所述荧光信号并输出第一电信号，第二光电探测器412用于探测另一部分光源并输出第二电信号。数据采集子单元420，用于采集第一电信号及第二电信号并进行数字转换处理，得到带有磁信号的数字信号。

具体地，第一光探测器411和第二光探测器412包括至少两个通道的光电二极管、滤波单元及放大单元中的一种或多种。数据采集子单元420包括模数转换器、辅助元件、主控核心单元中的一种或多种，其中，主控核心单元用于数据的进一步处理(如磁场校正、降噪处理、信号变换等)、传输及存储控制等，模数转换器可与辅助元件一起组合用于采集光探测子单元410输出的电信号，并将该电信号进行数字转换处理。例如，第一光探测器411和第二光探测器412为光电二极管，其中，光电二极管处于光伏模式，无需外界供能，能够直接将荧光信号转换为电信号。由于光电二极管所消耗的功率较低，在探测高频高光强信号时，也可以通过小型太阳能板来提供偏置电压。数据采集子单元420为低功耗的数据采集卡，其所需能量通过瓦量级的小型太阳能电池板/风能发电机提供。

根据本公开的实施例，当环境磁场不足以提供合适的偏置场使传感器工作与最优状态时，磁场增益单元30还可以包括磁铁子单元，该磁铁子单元用于为磁敏感单元20提供额外的偏置磁场。

本实施例中，通过采用磁场调制法，以使待测外部磁场调制至高频，避开了系统的低频噪声，具体为将磁场增益单元30上设置多个线圈，以产生叠加在待测外部磁场上的周期磁场，以使将待测外部磁场调制至高频。如可通过驱动器产生1KHz～1MHz的正弦波或者方波信号驱动磁场增益单元30上的线圈产生特定频率的人工磁场，此时当外界待测外部磁场变化时，其会与人工磁场进行混频，通过锁相放大器等解调器件能够完成对外磁场信息的提取。

本实施例提供的固态自旋磁传感器相对于其他类型的金刚石磁力计探头，具备高集成度、高稳定性且低成本等优点。

需说明的是，上述各部件结构仅为示例性的说明，并不代表在其他实际应用过程中各部件结构不能为其他替换选择，其并不构成对本公开提供的固态自旋磁传感器结构的限定。另外，本公开的实施例所述的高频范围均为1KHz～1MHz。

图4示意性示出了根据本公开另一实施例的固态自旋磁传感器的结构示意图。

如图4所示，该固态自旋磁传感器与前一实施例提供的固态自旋磁传感器的区别在于：

本实施例中，该光学单元10包括：光源子单元，该光源子单元包括电流源110’与发光二极管120’的组合或电流源与激光二极管的组合，光源子单元用于产生激发光。光探测子单元410’包括滤光片411’和光电二极管412’，数据采集子单元420’为模数转换器。该传感器还包括电流源控制单元50，该电流源控制单元50用于控制电流源110’的工作参数，如产生电流频率或正弦波信号还是方波信号等。

具体地，磁敏感单元20为包含氮-空位色心的金刚石，其放置在经特殊结构(如梯台形、圆柱型、长条型等)设计的多个磁场增益单元30(即聚集器)中心，且磁敏感单元20的晶向沿磁场增益单元30的对称轴放置，当NV色心的主轴与外部磁场不平行时，外部磁场的变化会造成NV色心感受到的横向场发生改变，而横向场会改变NV色心受激产生的荧光信号的强度。需说明的是，一块金刚石内有4主轴的NV色心，因此任意的外磁场都会对其中几个主轴贡献横向磁场分量。通过调整磁场增益单元30轴向与地磁场之间的夹角(见图3a)或外加磁铁子单元为磁敏感单元20提供特定大小的偏置场，磁场增益单元30将外部磁场放大后作用在磁敏感单元20上，进而只利用地磁场即可为磁敏感单元20提供偏置场，使其中的NV色心达到能级免交叉状态，根据前述原理，可实现高灵敏度磁信号的测量。

本实施例中，以电流源110’与发光二极管120’的组合构成的光源子单元为例，其采用激发光调制法以使待测外部磁场调制至高频，避开了系统的低频噪声，具体为：通过光学单元10对光源进行幅度调制，输出高频的激发光来激发磁敏感单元20的固态自旋。如图4所示，电流源110’产生1KHz～1MHz的正弦波或者方波电流给发光二极管120’(或激光二极管)，驱动发光二极管120’发出510～550nm波段中特定波长的绿色激光打到磁敏感单元20上，使磁敏感单元20中的NV色心电子自旋跃迁到激发态，当其退激发的过程中会发出的荧光信号。施加待测磁场后，在激光的操控下，磁敏感单元20会发出包含待测磁场信息的荧光信号，通过滤光片411’照射到光电二极管412’中转化为电信号，通过线缆被数据采集子单元420’采集，完成一次磁信号测量。

本实施例由于功耗低，因此可选的可使用上位机或电池供电，相对于其他类型的金刚石磁力计以及上述实施例具有低功耗、可全天候工作、灵敏度高的优点。另外，通过收集到的携带有待测外部磁场信息的数字信号，其可通过上位机进行进一步处理，如将数字信号利用实验室标定的转换系数转换成的磁场信号，得到可视化的待测外部磁场的信息。

本实施例中，当环境磁场不足以提供合适的偏置场使传感器工作与最优状态时，磁场增益单元30还可以包括磁铁子单元，该磁铁子单元用于为磁敏感单元20提供额外的偏置磁场。

本公开的再一实施例中，光学单元由驱动器和LD/LED组成，其产生出射光信号激发磁敏感单元。优选的，金刚石样品被磁场增益单元夹持的方向为晶向，提供给磁敏感单元的偏置场大小为1024高斯左右。探测单元为光电二极管，将磁敏感单元产生的荧光信号转换为电信号。本实施例一方面采用聚集器避免了额外的大偏置场引入的噪声，可以使用弱偏置场或地磁场来提供所需的偏置场；另一方面使得NV色心处在能级免交叉状态，实现高灵敏的磁场测量。在偏置场保持不变的情况下，由驱动器和LD/LED组成的光学单元出射光信号激发磁敏感单元产生的荧光信号会随待测磁场变化而发生变化，通过探测单元将上述与待测外部磁场有关的荧光信号转化为电信号后，实现对待测外部磁场的测量。

在其他一些可实施的实施例中，该固态自旋磁传感器还包括：微波子系统，其与磁敏感单元20相连，用于提供微波信号，以便进一步提高传感器的灵敏度。

需说明的是，上述对固态自旋磁传感器中各部件和优选设计方法的定义并不仅限于以上实施例所示，本领域普通技术人员可通过同等替换或结构改进将其应用于更高频率、更高波段的固态自旋磁传感器中。

图5示意性示出了本公开实施例的一种磁场测量方法的流程图，该方法步骤采用如图1或图4所示的固态自旋磁传感器。

如图5所示，该磁场测量方法，包括：

S501，利用光学单元产生激发光。

其中，通过人工或自然绿光波段低成本光源来通过光学单元产生激发光，该激发光用于实现磁敏感单元的固态自旋的激发，由于固态自旋的能级结构特点，其发出的荧光强度会随着外部磁场的变化而变化，从而实现对待测外部磁场的测量。

S502，将部分激发光通过磁敏感单元转换成荧光信号。

在步骤S501中产生的激发光使磁敏感单元中的电子自旋在基态与激发态之间跃迁，发出强度与体系自旋布居度相关的荧光信号。且该磁敏感单元置于待测外部磁场中，保持偏置场、激发光强度不变。优选地，施加在磁敏感单元的固态自旋上的偏置场大小为200～700高斯之间或1024高斯附近。

S503，将荧光信号及另一部分激发光通过探测单元转换成电信号，并进行数字转换处理得到数字信号，该数字信号携带所述待测外部磁场的信息。

本实施例中采用的固态自旋磁传感器对磁场进行测量的传感器结构如图1或图4所示，此处不再详细赘述。

本公开的实施例提供的固态自旋磁传感器，具备以下特征：1)、基于固态自旋的磁敏感光学特性，结合磁通聚集方法，实现全光学条件下的高灵敏度、高集成度、低功耗的新型复合式全光磁测量方案及磁传感器；2)、通过磁通聚集的偏置场放大，能够不使用强偏置场(电磁铁等)来使固态自旋处于基态能级免交叉工作点(GSLAC)上，避免了人工施加强偏置场造成的应用困难；3)、通过利用环境光，例如太阳光和类似人造照明光，能够实现完全依赖环境能源的无功耗传感器；4)、通过激发光调制或者磁场调制的方法，提高了传感器的灵敏度以及抗干扰能力。

尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述应认为是说明性的或示例性的而非限制性的，如图1或图4所示为根据本公开实施例示意的固态自旋磁传感器的结构示意图，在实际应用过程中该固态自旋磁传感器中某些部件可用其他相同或类似功能的部件替代或是实验原理装置结构更加简化或复杂，此实施例并不构成对该固态自旋磁传感器的限定。

本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。

尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。