(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210833169.X (22)申请日 2022.07.14 (71)申请人 山东大学 地址 250199 山东省济南市历城区山大南 路27号 (72)发明人 逯鹤　陈思齐　 (74)专利代理 机构 济南金迪知识产权代理有限 公司 37219 专利代理师 苗艳平 (51)Int.Cl. G01N 21/64(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法 及其实现装置 (57)摘要 本发明涉及一种单NV色心中电子和核自旋 极化的方法及其实现装置， 本发 明提供的极化方 法可以同时实现单个NV色心中电子自旋和核自 旋的极化， 极化率可达95％以上。 极化过程无需 使用NV系综标定磁场角度， 磁场大小与方向通过 调节磁体位置改变， 角度精度优于0.6度， 省去了 结构复杂的亥姆霍兹线圈及冷却措施。 本发明提 供的装置结构设计较为简洁， 装置成本较低， 而 且具有极佳的稳定性， 定位于单色心后可以长时 间稳定采集荧光信息， 可保证1小时内荧光强度 波动小于 6％， 饱和计数率 为150k counts/s。 权利要求书2页 说明书8页 附图4页 CN 115201169 A 2022.10.18 CN 115201169 A 1.一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法， 其特 征在于， 该极化方法包括： (1)沿着Z轴方向对物镜进行 μm量级粗略对焦， 再从X和Y轴方向上对载有金刚石的微波 天线进行 μm量级粗调， 从而 使得激光 光束聚焦 在金刚石上； (2)沿着Z轴方向上对载有金刚石的微波天线进行nm量级的精细调 节， 使得金刚石受激 发出的荧 光强度最强， 从而确定微波天线在Z轴方向的位置； (3)通过永磁体对金刚石施加磁场， 初步确定永磁体的水平角度θ和垂直角度φ， 使得 永磁体在金刚石色心位置的磁场方向与NV轴平行； 以金刚石所在光学平台为基准， 当转动 轴垂直光学平台时， 绕此轴的转动角度为水平角度θ； 当转动轴平行光学平台时， 绕此轴的 转动角度为垂直角度φ； (4)从X、 Y轴两个方向上对金刚石的微波天线进行nm量级的调 节， 使得金刚石受激发出 的荧光强度最强， 从而确定微波天线在X、 Y轴方向的位置， 最 终使得激光光束准确聚焦在金 刚石的NV色心上； (5)根据需要施加磁场的大小， 确定永磁体在Z轴方向的位置； 再调 节永磁体的横、 纵坐 标使得金刚石受激发出的荧光 强度最强， 确定永磁体在X、 Y轴方向的位置， 从而使得永磁体 在色心位置的磁场方向与NV轴平行； (6)调节施加在NV色心的微波频率， 当光探测磁共振图像中|ms＝0,mI＝1>能级状态的 自旋极化 率为超过95％， 则认为实现了单NV色心中电子自旋和核自旋状态的极化。 2.根据权利要求1所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法， 其特征在于， 步骤 (4)中， 根据需要施加 磁场的大小， 确定永磁体在Z轴方向的位置， 具体过程为： 当永磁体位 于Z轴方向的某一位置时， 调节施加在NV色心上的微波频率， 光探测磁共振图像中间谷对应 的微波频率计算出磁场强度， 具体为： 磁场强度 γe表示电子旋磁比， D表示零场 劈裂, 为中间谷的频率。 3.根据权利要求1所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法， 其特征在于， 在NV 轴向施加4 40到1000高斯磁场， 激光极化后， 色心状态极化 为|ms＝0,mI＝1>。 4.根据权利要求1 ‑3任一项所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装 置， 其特征在于， 该装置包括激光激发模块、 二色向镜、 金刚石扫描及物镜调焦 模块、 微波设 备、 静磁场模块和荧 光收集模块； 激光激发模块包括依次设置的激光器、 声光调制器和第一透镜组， 声光调制器作为光 开关控制激光的输出， 再 经过第一透 镜组将声光调制器输出的激光整形为平行激光 光束； 金刚石扫描及物镜调焦模块包括宽带反射镜、 物镜、 Z轴机械位移台、 XY轴机械位移台 和压电平台； XY轴机械位移台设置在 Z轴机械位移台的上方， 宽带反射镜和物镜沿着光路依 次设置在 Z轴机械位移台上， Z轴机械位移台用于在 Z轴方向上对物镜进 行 μm量级对焦； 压电 平台设置在XY轴机械位移台上， 压电平台用于固定载有金刚石的微波天线， 并对载有金刚 石的微波天线在X、 Y、 Z三个方向上进行nm量级的调节， 准确定位金刚石色心； XY机械位移台 用于对载有金刚石的微波天线在X、 Y方向上进行 μm量级调节； 微波设备用于向微波天线输入微波， 对电子的自旋状态进行操控； 静磁场模块用于对金刚石施加磁场， 通过调节磁场与NV轴之间的夹角， 使得金刚石受 激发输出的荧 光强度最大；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115201169 A 2荧光收集模块包括第二透镜组、 第 三透镜组、 第 一自由空间探测器、 第 二自由空间探测 器和50:50BS分束器， 经过50:50BS分束器的分束后， 一部分荧光经过第二透镜组整形， 出射 到第一自由空间光电探测器； 另一部分荧光经过第三透镜组整形， 出射到荧光入射第二自 由空间光电探测器； 激光激发模块发出的激光通过二色 向镜的反射， 再经过金刚石扫描及物镜调焦模块中 宽带反射镜反射到物镜上， 然后入射到载有 金刚石的微波天线 上， 对金刚石进 行激发， 金刚 石受激产生荧光， 荧光再依次经过物镜、 宽带反射镜、 二色向镜入后， 透射到荧光收集模块 进行荧光收集。 5.根据权利要求4所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置， 其特 征在于， 静磁场模块包括 五维电动位移台和永磁体， 五维电动位移台包括XYZ三 维电动位移 台和两个旋转 位移台， XYZ三维电动位移台用于X、 Y、 Z三个方向上调 节永磁体与 NV色心之间 的距离， 进而实现 对磁场强度的调节； 旋转位移台包括水平角度位移台和 垂直角度位移台； 水平角度位移台用于对永磁体的 水平角度 θ进行调节； 垂直角度位移台用于对永磁 体的垂直角度φ进行调节； 永磁体固定在水平角度位移台上， 并且永磁 体处于金刚石的上 方。 6.根据权利要求5所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置， 其特 征在于， 永磁 体为稀土铷铁硼磁 体。 7.根据权利要求4所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置， 其特 征在于， 压电平台和XY轴机械位移台的中心均开设有通光孔， 并且压电平台上通光孔的中 心、 XY轴机 械位移台上通 光孔的中心和Z轴机 械位移台的中心位于同一条垂线上； 压电平台的X、 Y、 Z轴的行程均为80 μm， 位置分辨率3nm， 用于X、 Y、 Z方向上实现纳米级别 的调节， 准确定位 NV色心； XY两轴机械位移台中每轴的行程为10cm， 位移最 高精度为10 μm； Z轴机械位移台的行程 7cm， 位移最高精度为10um。 8.根据权利要求4所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置， 其特 征在于， 金刚石扫描及物镜调焦模块 为对称结构， 采用铝合金及不锈钢材质。 9.根据权利要求4所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置， 其特 征在于， 该装置的中的压电平台、 五轴电动位移台、 微波设备、 声光调制器、 第一自由空间探 测器、 第二自由空间探测器由上位机控制， 并且由脉冲信号发生器控制各个设备 的开关顺 序。 10.根据权利要求4所述的一种单NV色心中电子和核自旋极化的方法的实现装置， 其特 征在于， 该装置的外面覆盖隔温材 料， 隔温材 料选用硬质泡沫板 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115201169 A 3