申請(qǐng)?zhí)枺?01510783904.0
　　申請(qǐng)人：北京航空航天大學(xué)
　　發(fā)明人：袁珩 曹傳桂 張剛源 張冀星

　　摘要：本發(fā)明涉及一種基于金剛石NV―色心的加速度傳感器，用含有高濃度NV―色心的金剛石作為磁場(chǎng)敏感元件，以NV―色心系綜電子二能級(jí)系統(tǒng)在激光脈沖下產(chǎn)生的拉比振蕩頻率為測(cè)量對(duì)象，通過光檢測(cè)磁共振技術(shù)(opticaldetectionmagneticresonance,簡(jiǎn)稱ODMR)對(duì)拉比振蕩頻率的測(cè)量，實(shí)現(xiàn)在外界加速度作用下靜磁場(chǎng)源與高濃度NV―色心的金剛石的相對(duì)位移變化所導(dǎo)致變化磁場(chǎng)的高精度的測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)加速度信息的測(cè)量。本發(fā)明結(jié)合了傳統(tǒng)加速度傳感器的質(zhì)量-彈簧結(jié)構(gòu)、微納光-機(jī)-電技術(shù)與對(duì)金剛石NV―色心量子操控的原理，利用金剛石NV―色心可用于超高精度磁場(chǎng)測(cè)量的特點(diǎn)，可以得到小體積、超高精度、高靈敏度、測(cè)量范圍大的加速度傳感器元件。對(duì)于加速度計(jì)、重力儀等技術(shù)有著重要的價(jià)值。 　　主權(quán)利要求：1.一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：該加速度傳感器內(nèi)部元件包括半導(dǎo)體激光器(2)、彈簧(3)、U型磁鐵(4)、濾光片(5)、雪崩光電二極管(6)、光纖(8)、環(huán)形器(9)、磁場(chǎng)敏感部件(10)和固定架(11)；所述磁場(chǎng)敏感部件內(nèi)部包含微波導(dǎo)線(7)，左微波波導(dǎo)(12)、右微波波導(dǎo)(13)、介質(zhì)膜(14)以及NV-色心金剛石(15)；半導(dǎo)體激光器(2)、彈簧(3)、U型磁鐵(4)、濾光片(5)、雪崩光電二極管(6)、光纖(8)、環(huán)形器(9)、磁場(chǎng)敏感部件(10)和固定架(11)集成封裝在金屬外框(1)內(nèi)，半導(dǎo)體激光器(2)發(fā)出的532nm激光通過光纖(8)導(dǎo)入到環(huán)形器(9)后，經(jīng)光纖(8)到達(dá)NV-色心金剛石(15)，從而激發(fā)NV-色心系綜電子能級(jí)；NV-色心金剛石(15)受激發(fā)后由于感受左微波波導(dǎo)(12)、右微波波導(dǎo)(13)輻射出來的微波磁場(chǎng)，NV-色心激發(fā)態(tài)電子將與微波產(chǎn)生共振并發(fā)出波長(zhǎng)范圍為600nm-800nm的熒光，其中心波長(zhǎng)為637nm；NV-色心金剛石(15)發(fā)出的熒光經(jīng)過介質(zhì)膜(14)反射通過光纖(8)返回環(huán)形器(9)，然后熒光通過光纖(8)到達(dá)濾光片(5)濾掉532nm綠色反射激光只讓熒光通過，之后熒光到達(dá)雪崩光電二極管(6)，通過熒光的收集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)形成ODMR光譜，然后通過測(cè)量ODMR光譜中的拉比振蕩頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量；固定架(11)用于固定磁場(chǎng)敏感元件(10)，以防在加速度作用下，磁場(chǎng)敏感元件左右移動(dòng)，影響測(cè)量結(jié)果；左微波波導(dǎo)(12)、右微波波導(dǎo)(13)通過微波導(dǎo)線(7)連接到微波波源，并且緊貼在NV-色心金剛石兩側(cè)，給NV-色心金剛石提供2.87GHz的微波；U形磁鐵(4)和彈簧(3)構(gòu)成質(zhì)量-彈簧結(jié)構(gòu)，彈簧(3)呈X形狀平衡掉U型磁鐵(4)向下的重力；當(dāng)外界存在線加速度時(shí)，質(zhì)量-彈簧結(jié)構(gòu)左右運(yùn)動(dòng)拉伸或壓縮，造成NV-色心金剛石感受到的外部磁場(chǎng)環(huán)境發(fā)生變化，故可以通過ODMR中的拉比振蕩頻率變化測(cè)得外界磁場(chǎng)環(huán)境的變化，進(jìn)而測(cè)得質(zhì)量-彈簧結(jié)構(gòu)與磁場(chǎng)敏感部件的相對(duì)位移變化，最終分析整個(gè)加速度傳感器內(nèi)部存在的數(shù)學(xué)關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型測(cè)得線加速度。
　　2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：所有加速度傳感器的部件都集成封裝在磁屏蔽性能良好的金屬外框(1)內(nèi)；該加速度傳感器體積小，成本低，重量輕便于移動(dòng)和攜帶。
　　3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：利用高濃度金剛石NV-色心可用于超高精度磁場(chǎng)測(cè)量的特點(diǎn)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外界線加速度高精度測(cè)量。
　　4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：所述NV-色心金剛石是高濃度NV-色心金剛石。
　　5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：基于金剛石NV-色心的加速度傳感器的金屬外框是磁屏蔽性能良好的材料，以避免“端接效應(yīng)”和磁力線穿透屏蔽體范圍；使得在金剛石NV-色心加速度傳感器在復(fù)雜的電磁場(chǎng)環(huán)境下能夠正常工作，保證了加速度測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。
　　6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：所述光纖(8)端部的橫截面尺寸與高濃度NV-色心金剛石尺寸相匹配。
　　7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：磁場(chǎng)敏感元件內(nèi)部使用了兩根微波波導(dǎo)，分別緊貼在高濃度NV-色心金剛石的兩側(cè)，作為單極子天線輻射出2.87GHz的微波；在不同微波時(shí)序期間分別向兩根微波波導(dǎo)饋送微波，對(duì)測(cè)得的信號(hào)做差分?jǐn)?shù)據(jù)處理，可以降低噪聲。
　　8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：靠近NV-色心金剛石的光纖端面覆有介質(zhì)膜，反射熒光中心波長(zhǎng)為637nm。
　　9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：高濃度NV-色心金剛石傳感器采用了特定的質(zhì)量-彈簧結(jié)構(gòu)；X彈簧可以平衡掉U型磁鐵的重力并且可以通過調(diào)節(jié)彈簧的阻尼系數(shù)來調(diào)節(jié)加速度傳感器的靈敏度，并且增大了加速度傳感器的測(cè)量范圍。
　　10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：所述的通過測(cè)量ODMR光譜中的拉比振蕩頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量為：通過測(cè)量ODMR光譜中的拉比振蕩頻率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度的磁場(chǎng)測(cè)量，其中，測(cè)量靈敏度達(dá)到100pT/Hz0.5量級(jí)。