鎖相放大相機(jī)在NV色心成像中的應(yīng)用

NV色心（氮-空位色心）是金剛石中由氮原子和鄰近空位形成的缺陷，其基態(tài)能級(jí)在外磁場作用下產(chǎn)生劈裂，在此基礎(chǔ)上通過光探測磁共振（ODMR）可檢測磁場強(qiáng)度。本文提出一種基于鎖相放大相機(jī)的NV色心磁成像方法。其通過鎖相放大相機(jī)可以同步各個(gè)像素采集特定頻率熒光信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，該方法可實(shí)時(shí)解析NV色心熒光強(qiáng)度在一定磁場強(qiáng)度下的周期性響應(yīng)，進(jìn)而測量實(shí)驗(yàn)所施加的磁場強(qiáng)度。

NV色心磁成像簡介

圖1 NV色心金剛石晶格結(jié)構(gòu)圖

NV色心（Nitrogen-Vacancy Center）是金剛石晶格中的一種原子級(jí)點(diǎn)缺陷，由鄰近碳空位的一個(gè)氮原子替代碳原子構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)賦予其多維度物理特性，成為量子科技領(lǐng)域的核心研究對(duì)象之一。

圖2 NV色心能級(jí)躍遷圖（來源：維基百科）

氮空位中心具有一個(gè)基態(tài)三重態(tài)（3A）、一個(gè)激發(fā)態(tài)三重態(tài)（3E）以及兩個(gè)中間態(tài)單重態(tài)（1A和1E）。3A和3E均包含m?=±1自旋態(tài)（其中兩個(gè)電子自旋平行排列，向上為m?=+1，向下為m?=-1）和m?=0自旋態(tài)（電子自旋反平行排列）。由于磁相互作用，m?=±1態(tài)的能量高于m?=0態(tài)，在沒有外界磁場時(shí)，m?=±1簡并，1A和1E各自僅包含一個(gè)m?=0的單重自旋態(tài)。見圖2。

光學(xué)躍遷需遵循總自旋守恒原則，因此僅允許總自旋相同的能級(jí)間發(fā)生躍遷。具體而言，使用波長532 nm的綠色激光可誘導(dǎo)基態(tài)與激發(fā)態(tài)（自旋相同）之間的躍遷。而電子從激發(fā)態(tài)回落至基態(tài)時(shí)，就會(huì)因輻射躍遷發(fā)出637nm附近的紅光。此外，電子從激發(fā)態(tài)m?=±1回落時(shí)，會(huì)有更大的可能通過非輻射躍遷回落至中間態(tài)，并大概率回落至m?=0的基態(tài)，這個(gè)過程不發(fā)出紅色熒光。

經(jīng)過多次循環(huán)，氮空位中心（無論初始為m?=0或m?=±1）將zui終ji化至m?=0基態(tài)。此過程可用于量子信息處理或量子傳感中的量子比特初始化。

光探測磁共振

當(dāng)外磁場作用為0時(shí)，在基態(tài)能級(jí)中，m?=±1能級(jí)因?yàn)閷?duì)稱性是簡并的，此時(shí)ms=0的能級(jí)因?yàn)榱銏霰萴?=±1能量低。當(dāng)沿氮空位中心缺陷軸（氮原子與空位連線的對(duì)稱軸）施加外磁場時(shí)，m?=0態(tài)不受影響，但會(huì)導(dǎo)致m?=±1能級(jí)發(fā)生分裂（塞曼效應(yīng)）。

當(dāng)用微波信號(hào)掃描NV色心時(shí)，可以使基態(tài)的能級(jí)分布生轉(zhuǎn)變，使得更多電子變?yōu)閙?=±1能級(jí)，從而使得熒光信號(hào)減弱。通過收集熒光信號(hào)我們就可以獲得電子能級(jí)分布變化。

圖3 單個(gè)NV中心的光學(xué)探測磁共振譜示意圖

上圖是ODMR方法測得NV色心的磁共振譜，圖中顯示有兩個(gè)關(guān)于2.87GHz對(duì)稱的峰，這兩個(gè)峰之間的頻率差值可以用以下公式表達(dá)：

其中，是磁旋比，g是朗德因子，是玻爾磁子，h是普朗克常量。于是，磁場強(qiáng)度就跟兩個(gè)峰值的頻率差聯(lián)系起來了。NV色心磁共振成像方法為磁場測量、量子傳感、精密測量及生物標(biāo)記等領(lǐng)域提供了高效技術(shù)支持。

高速鎖相放大相機(jī)在NV色心成像中的應(yīng)用

圖4 NV色心磁測量的實(shí)驗(yàn)流程圖

圖4是一類NV色心磁成像實(shí)驗(yàn)的流程圖，其中主要包括以下幾個(gè)模塊。

1.微波激發(fā)與調(diào)制模塊

調(diào)制電流源驅(qū)動(dòng)PCB微線圈，生成局部磁場作用于NV色心。信號(hào)發(fā)生器提供參考調(diào)制信號(hào)，經(jīng)放大后通過PCB環(huán)形天線發(fā)射微波，用于操控NV色心的自旋態(tài)。

2.光學(xué)激發(fā)與熒光接收

532 nm激光器結(jié)合聲光調(diào)制器（AOM）及光學(xué)組件，產(chǎn)生脈沖激光：激光經(jīng)二向色鏡反射，通過100倍物鏡聚焦至NV色心樣品。綠色截止濾光片濾除激發(fā)光雜散信號(hào)，僅保留NV色心熒光。

3.脈沖發(fā)生與微波調(diào)制

脈沖發(fā)生器（Pulse Blaster）發(fā)出脈沖波后分為兩路：

其中一路控制信號(hào)發(fā)生器發(fā)出調(diào)制后的微波。在這個(gè)過程中，脈沖發(fā)生器（Pulse Blaster）發(fā)射KHz頻率量級(jí)的脈沖，而信號(hào)發(fā)生器發(fā)射的微波信號(hào)在ω?ωdev之間來回跳躍且同步步進(jìn)，跳躍頻率與脈沖發(fā)生器的發(fā)射的脈沖頻率一致，另一路作為鎖相放大相機(jī)的參考脈沖進(jìn)入鎖相放大相機(jī)提供參考頻率。

圖5 微波信號(hào)的脈沖調(diào)制

4.鎖相放大相機(jī)數(shù)據(jù)采集

鎖相放大相機(jī)是一種把鎖相放大器和cmos相機(jī)功能結(jié)合起來的設(shè)備，且能夠同時(shí)協(xié)調(diào)所有像素進(jìn)行一整個(gè)平面的鎖相成像。將參考頻率輸入后，鎖相相機(jī)就可以直接在復(fù)雜環(huán)境下解調(diào)特定調(diào)制頻率的熒光信號(hào)，從而更迅速實(shí)時(shí)地捕獲熒光強(qiáng)度變化信息，也大大節(jié)省了實(shí)驗(yàn)裝置所需要的空間。

heliCamTM系列鎖相放大相機(jī)在NV色心的成像實(shí)驗(yàn)中，擁有500Ke-的滿井容量、接近80%的量子效率以及0.14mW/m2的探測靈敏度，這些優(yōu)異的參數(shù)性使其能在NV色心的相關(guān)磁成像實(shí)驗(yàn)中可以靈敏準(zhǔn)確捕捉每個(gè)像素的每個(gè)像素的幅度和相位信息，雙相鎖相并行算法則能夠更有效抑制背景噪聲。上海昊量光電作為國內(nèi)專業(yè)的光電設(shè)備代理商，是heliCamTM系列產(chǎn)品的代理商。對(duì)于任何產(chǎn)品有興趣或者有任何問題，都?xì)g迎通過電話、電子郵件或者微信與我們聯(lián)系。

本文部分資料來源：

[1]Parashar M, Bathla A, Shishir D, et al. Sub-second temporal magnetic field microscopy using quantum defects in diamond[J]. Scientific reports, 2022, 12(1): 8743.

[2]Jensen K, Kehayias P, Budker D. Magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond[M]//High sensitivity magnetometers. Cham: Springer International Publishing, 2016: 553-576.

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