磁是自然界中的一種基本物理屬性,也是描述各種物質(zhì)特征的重要物理量。同測(cè)量光、力、熱、電等物理量類似,磁測(cè)量也是人類社會(huì)發(fā)展過程中一種不可或缺的技術(shù)。從古時(shí)候的司南到近代的高斯計(jì)以及現(xiàn)代的量子磁力計(jì),磁測(cè)量工具被各個(gè)時(shí)代的人們用于認(rèn)識(shí)并改造世界。量子精密測(cè)量技術(shù)作為不同于經(jīng)典體系的測(cè)量技術(shù),利用了量子系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的敏感性來實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量。利用量子力學(xué)原理,量子精密測(cè)量技術(shù)有望突破經(jīng)典測(cè)量的極限,在靈敏度等指標(biāo)上有較大的優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上,目前基于量子力學(xué)原理的精密磁測(cè)量已經(jīng)在多種量子體系中得到發(fā)展,例如超導(dǎo)量子干涉儀、原子/光泵浦磁力計(jì)與基于氮-空位色心的磁力計(jì)等。同時(shí)這些磁力計(jì)都已經(jīng)成為磁測(cè)量領(lǐng)域的重要工具。氮-空位色心是金剛石中的一種點(diǎn)缺陷。由于其擁有的優(yōu)異特性,自2008年多位學(xué)者詳細(xì)闡述了其應(yīng)用前景后,基于氮-空位色心的磁測(cè)量領(lǐng)域開始迅猛發(fā)展。然而,相比于單氮-空位色心在生物領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,針對(duì)系綜氮-空位色心的研究仍相對(duì)較少。本論文對(duì)系綜氮-空位色心的磁測(cè)量方法展開研究,針對(duì)低頻磁場(chǎng)測(cè)量的目標(biāo),分別研究了連續(xù)波穩(wěn)態(tài)磁測(cè)量方法與結(jié)合磁通聚集器的復(fù)合磁測(cè)量方法。其中,利用連續(xù)波穩(wěn)態(tài)磁測(cè)量方法...

【文章頁數(shù)】：142 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【文章目錄】：
摘要
abstract
符號(hào)說明
第1章 緒論
    1.1 概述
    1.2 磁測(cè)量的歷史背景
    1.3 磁測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用
        1.3.1 地磁測(cè)繪
        1.3.2 地磁導(dǎo)航
        1.3.3 生物磁學(xué)成像
        1.3.4 工業(yè)無損檢測(cè)
        1.3.5 小結(jié)
    1.4 現(xiàn)有基于量子體系的磁測(cè)量技術(shù)
        1.4.1 超導(dǎo)量子干涉儀
        1.4.2 原子/光泵浦磁力計(jì)
        1.4.3 氮-空位色心磁力計(jì)
        1.4.4 其他
    1.5 基于系綜氮-空位色心的磁測(cè)量技術(shù)的前沿進(jìn)展
第2章 氮-空位色心背景介紹
    2.1 氮-空位色心介紹
    2.2 氮-空位色心的熒光光譜
    2.3 氮-空位色心的相干控制
    2.4 氮-空位色心的基本參數(shù)
        2.4.1 自旋-晶格弛豫時(shí)間T1

        2.4.2 自旋-自旋弛豫時(shí)間T₂

        2.4.3 非均勻自旋弛豫時(shí)間T_2
*

    2.5 系綜氮-空位色心金剛石樣品
第3章 系綜氮-空位色心的磁測(cè)量原理及系統(tǒng)架構(gòu)
    3.1 基于系綜氮-空位色心的磁測(cè)量原理
        3.1.1 連續(xù)波方法
        3.1.2 脈沖方法
    3.2 基于連續(xù)波方法的磁測(cè)量靈敏度及其相關(guān)參數(shù)
        3.2.1 激光泵浦速率Γ_P與微波操控場(chǎng)強(qiáng)度Ω_R

        3.2.2 物理場(chǎng)不均勻性
        3.2.3 調(diào)制頻率f_m與調(diào)制幅度A_m

        3.2.4 激光偏振角θ_L

        3.2.5 夾角系數(shù)α
        3.2.6 有效傳感自旋數(shù)N_eff

        3.2.7 熒光收集效率ε_f

        3.2.8 非均勻自旋弛豫時(shí)間T_2
*

        3.2.9 系統(tǒng)噪聲δS
        3.2.10 小結(jié)
    3.3 系綜氮-空位色心實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)
        3.3.1 連續(xù)波方案系統(tǒng)架構(gòu)
        3.3.2 脈沖方案系統(tǒng)架構(gòu)
    3.4 磁測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所需電子學(xué)裝置的研制
        3.4.1 任意序列發(fā)生器
        3.4.2 任意波形發(fā)生器
        3.4.3 集成化控制與讀出系統(tǒng)
    3.5 基于系綜氮-空位色心的光探測(cè)磁共振實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建
        3.5.1 光學(xué)系統(tǒng)的搭建
        3.5.2 微波系統(tǒng)與讀出系統(tǒng)的搭建
        3.5.3 樣品裝載臺(tái)的搭建
        3.5.4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)控制軟件的開發(fā)
        3.5.5 脈沖實(shí)驗(yàn)測(cè)試示例
    3.6 脈沖磁測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)嘗試
第4章 基于系綜氮-空位色心的連續(xù)波穩(wěn)態(tài)磁測(cè)量方法
    4.1 連續(xù)波穩(wěn)態(tài)磁測(cè)量方法原理
    4.2 連續(xù)波穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)硬件框架
    4.3 連續(xù)波穩(wěn)態(tài)磁測(cè)量方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果
        4.3.1 時(shí)域磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果
        4.3.2 系統(tǒng)帶寬測(cè)試結(jié)果
        4.3.3 靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試結(jié)果
    4.4 連續(xù)波穩(wěn)態(tài)磁測(cè)量方法的潛力與展望
第5章 基于系綜氮-空位色心與磁通聚集器的復(fù)合磁測(cè)量方法
    5.1 復(fù)合磁測(cè)量方法原理
        5.1.1 磁通聚集
        5.1.2 系綜氮-空位色心結(jié)合磁通聚集方法
    5.2 復(fù)合磁測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)硬件框架
        5.2.1 磁通聚集器的設(shè)計(jì)
        5.2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架
    5.3 復(fù)合磁測(cè)量方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
        5.3.1 磁通聚集器放大倍數(shù)測(cè)試
        5.3.2 復(fù)合磁力計(jì)靈敏度測(cè)試
    5.4 復(fù)合磁測(cè)量方法的潛力與展望
第6章 集成化系綜氮-空位色心磁力計(jì)的研制
    6.1 集成化磁力計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)
    6.2 集成化磁力計(jì)光學(xué)系統(tǒng)
    6.3 集成化磁力計(jì)微波系統(tǒng)
    6.4 集成化磁力計(jì)讀出系統(tǒng)
    6.5 集成化磁力計(jì)探頭
    6.6 集成化磁力計(jì)整機(jī)
    6.7 集成化工作小結(jié)
第7章 系綜氮-空位色心磁力計(jì)未來的發(fā)展方向與前景
    7.1 靈敏度優(yōu)化展望
    7.2 集成化工作展望
    7.3 總結(jié)與展望
參考文獻(xiàn)
附錄A 補(bǔ)充材料
    A.1 激光偏振角度對(duì)樣品連續(xù)波譜的影響
    A.2 角度系數(shù)α與磁場(chǎng)-主軸夾角以及外磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系
    A.3 鎖相放大器的解調(diào)原理
    A.4 樣品溫度與激光功率的關(guān)系
    A.5 特定場(chǎng)景下的靈敏度評(píng)估及討論
        A.5.1 接近一般配置情形的散粒噪聲極限靈敏度估計(jì)
        A.5.2 激光全反射增加光程情形的散粒噪聲極限靈敏度估計(jì)
        A.5.3 優(yōu)化樣品提高T2
*情形的散粒噪聲極限靈敏度估計(jì)
        A.5.4 小結(jié)
致謝
在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果



本文編號(hào)：3829934

boshi