在自然界的金剛石中有一種由氮-空位（Nitrogen-Vacancy）形成的缺陷,這種缺陷在捕獲一個(gè)自由電子以后形成的缺陷叫做(1^-中心,因?yàn)閹н@種缺陷的金剛石呈現(xiàn)出紅色,因此簡(jiǎn)稱為NV色心。NV色心具備優(yōu)良的光學(xué)特性,是一種性能優(yōu)異的單光子源,在室溫下有良好的電子自旋特性,因此NV色心廣泛應(yīng)用于量子計(jì)量、量子信息處理（QIP）和量子磁場(chǎng)探測(cè)與成像。本文主要研究基于金剛石NV色心的量子微波磁場(chǎng)探測(cè)與成像系統(tǒng),探索基于金剛石NV色心磁光效應(yīng)的矢量微波場(chǎng)重構(gòu)和成像方法,并研究該系統(tǒng)在電磁兼容領(lǐng)域的應(yīng)用。本文利用金剛石NV色心優(yōu)異的量子光學(xué)性能,重點(diǎn)從提升系統(tǒng)的探測(cè)效率、提升系統(tǒng)探測(cè)靈敏度,拓展系統(tǒng)的探測(cè)頻率,三個(gè)角度入手開(kāi)展量子微波場(chǎng)成像系統(tǒng)的研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:1、在提升系統(tǒng)的探測(cè)效率方面,本文探索了基于CCD相機(jī)和富含NV色心的金剛石薄膜的寬視場(chǎng)快速微波場(chǎng)成像方法。研究了基于科勒照明實(shí)現(xiàn)快速微波場(chǎng)成像的方法,采用多通道脈沖發(fā)生器同步CCD、激光開(kāi)關(guān)、微波開(kāi)關(guān)和微波源。采用參考幀和圖像幀之間的差分測(cè)量方法,降低了測(cè)量噪聲;每幀集成N個(gè)重復(fù)序列進(jìn)一步提高了信噪比。... 

【文章來(lái)源】：南京郵電大學(xué)江蘇省

【文章頁(yè)數(shù)】：136 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

(a)SQUID超導(dǎo)量子干涉設(shè)備隨著高溫超導(dǎo)薄膜技術(shù)的發(fā)展，外延生長(zhǎng)

南京郵電大學(xué)博士研究生學(xué)位論文第一章緒論6超精細(xì)能級(jí)躍遷對(duì)窄帶微波頻率比較敏感，這種現(xiàn)象稱為磁共振。通過(guò)使用直流（DirectCurrent，DC）磁場(chǎng)，可以調(diào)節(jié)超精細(xì)能級(jí)之間的分裂程度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁共振頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。這就相當(dāng)于收音機(jī)的調(diào)頻功能，因此利用這種特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)很寬頻帶的微波場(chǎng)的高靈敏度探測(cè)[21]。圖1.3(a)87Rb在外磁場(chǎng)下基態(tài)能帶分裂圖(b)微米級(jí)銣VaporCell的微裝配工藝要實(shí)現(xiàn)高分辨率的微波成像，還需要制備微米甚至納米尺寸的銣蒸汽小室微波探頭。如圖1.3(b)所示，一種制備微米級(jí)的銣蒸汽小室微波探頭的方法是采用維納加工工藝在2000um寬的硅晶圓上，通過(guò)深反應(yīng)離子刻蝕（DeepReactiveIonEtching，DRIE）技術(shù)刻出500um寬的空腔。然后通過(guò)靜電鍵合技術(shù)將晶圓與玻璃基板鍵合在一起，然后將帶玻璃襯底的空腔單獨(dú)剝離出來(lái)[21]。由于87Rb在常溫下很容易汽化，因此將87Rb蒸汽填充到該空腔內(nèi)，87Rb原子沉積到玻璃襯底上，同時(shí)將氬氣和氮?dú)猓ˋr-N2）的混合氣體作為保護(hù)氣體注入到整個(gè)腔室內(nèi)部。完成以后，最后將一個(gè)玻璃蓋子通過(guò)靜電鍵合技術(shù)將蒸汽小室密封起來(lái)，由于此時(shí)腔體內(nèi)充滿了背景氣體，因此靜電鍵合時(shí)需適當(dāng)控制鍵合電壓，以免發(fā)生氣體擊穿放電。通過(guò)調(diào)整激光的焦點(diǎn)到沉積到玻璃襯底的87Rb原子上，并通過(guò)光學(xué)方法將87Rb原子的量子態(tài)信息讀出來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)較高分辨率的微波場(chǎng)成像。典型的堿金屬VaporCell測(cè)試系統(tǒng)的原理圖如圖1.4(a)所示，在上下兩個(gè)電控磁鐵之間放置了一個(gè)蒸汽VaporCell小室[20]，其中填充了87Rb原子，并將氮?dú)庾鳛榫彌_氣體。該系統(tǒng)使用780nm波長(zhǎng)，沿磁場(chǎng)方向線性極化的激光來(lái)進(jìn)行光泵浦和光探測(cè)。使用2W功率1500nm波長(zhǎng)的激光對(duì)VaporCell進(jìn)行加熱，通過(guò)對(duì)探測(cè)激光的光吸收譜進(jìn)行分析并擬合可以推算出當(dāng)

南京郵電大學(xué)博士研究生學(xué)位論文第一章緒論7圖1.4(a)典型的堿金屬VaporCell測(cè)試系統(tǒng)(b)VaporCell對(duì)共面波導(dǎo)成像示意圖除了基于銣原子的VaporCell原子磁力計(jì)技術(shù)以外，還有其它堿金屬在磁探測(cè)領(lǐng)域具備非常大潛力和價(jià)值。以堿金屬K，Cs，Se的塞曼效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過(guò)檢測(cè)電子自旋已被極化的堿金屬原子在磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)及旋轉(zhuǎn)角，從而檢測(cè)出磁場(chǎng)強(qiáng)度，目前的實(shí)驗(yàn)室靈敏度可以達(dá)到0.54fT。其中以K原子磁力儀的研究最為有成效[22]，K原子磁力儀的檢測(cè)靈敏度和精度相比于其他堿金屬原子Rb，Se磁力儀更具優(yōu)勢(shì)。以普林斯頓大學(xué)的Romalis教授和華盛頓大學(xué)的Allred為首的研究團(tuán)隊(duì)制作了一種基于堿金屬K原子且利用全光學(xué)方法的磁力儀，該磁力儀在3mm2的測(cè)量體積下，其靈敏度達(dá)到0.54fT/√（1fT=10-15T），這是目前世界范圍內(nèi)的最高靈敏度，其空間分辨率可達(dá)到2mm量級(jí)，在弱磁場(chǎng)中工作時(shí)，這種磁力儀的靈敏度可能達(dá)到10-18T數(shù)量級(jí)，這將比SQUID的靈敏度高出1000倍，另外還得到在500cm3的原子氣室體積下，達(dá)到0.3fT/√的散粒噪聲靈敏度。（3）基于高激發(fā)態(tài)原子的量子電場(chǎng)探測(cè)技術(shù)高激發(fā)態(tài)原子是指通過(guò)光將原子的外圍電子激發(fā)到較高的電子軌道，此時(shí)原子整體表現(xiàn)出較大的電偶極矩，因此該原子體系對(duì)外部的電場(chǎng)呈現(xiàn)出高度的敏感特性。使用現(xiàn)代激光光譜學(xué)，可以非常精密的測(cè)量從射頻到遠(yuǎn)紅外頻段的電場(chǎng)[23]，其關(guān)鍵是使用相干多光子光譜學(xué)來(lái)實(shí)現(xiàn)蒸汽小室中的亞多普勒測(cè)量。目前的主要研究，聚焦在如何使用里德堡原子進(jìn)行射頻到遠(yuǎn)紅外的電場(chǎng)測(cè)量。圖1.5(a)描述的是87Rb的能級(jí)結(jié)構(gòu)圖，圖中所有的激光都使用激光二極管技術(shù)產(chǎn)生，探測(cè)激光對(duì)87Rb的原子能級(jí)進(jìn)行激發(fā)；該技術(shù)通過(guò)測(cè)量的探測(cè)激光強(qiáng)度的變化，可以記錄并分析87Rb的原子能級(jí)改變情況，此時(shí)由于耦合激光與微波之

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]艦船磁場(chǎng)信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)[J]. 鄧西伯,吳文全.  電子設(shè)計(jì)工程. 2018(04)
[2]利用金剛石氮-空位色心精確測(cè)量弱磁場(chǎng)的探索[J]. 李路思,李紅蕙,周黎黎,楊炙盛,艾清.  物理學(xué)報(bào). 2017(23)
[3]量子信息技術(shù)發(fā)展概況[J]. 郭光燦,張昊,王琴.  南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2017(03)
[4]基于金剛石NV色心的超分辨成像技術(shù)[J]. 杜博,陳向東,孫方穩(wěn).  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2017(03)
[5]基于FPGA的電磁場(chǎng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)研究[J]. 馬雪.  電子測(cè)試. 2016(21)
[6]水下航行器的現(xiàn)狀與未來(lái)展望[J]. 趙欣.  科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng). 2016(09)
[7]高溫射頻超導(dǎo)量子干涉器探頭的研制[J]. 柯漢忠,劉祥文,嚴(yán)春杰,趙毅,陳曉東.  工程地球物理學(xué)報(bào). 2015(06)
[8]海洋環(huán)境水下電磁場(chǎng)相關(guān)特性分析[J]. 吳亮,姜元軍.  艦船電子工程. 2013(12)
[9]艦船水下電磁場(chǎng)國(guó)外研究現(xiàn)狀[J]. 楊國(guó)義.  艦船科學(xué)技術(shù). 2011(12)
[10]基于小波能量熵的水下目標(biāo)磁場(chǎng)信號(hào)去噪[J]. 方石,陳朝宏,殷正保.  船電技術(shù). 2011(04)

博士論文
[1]納米金剛石中NV色心的制備與量子調(diào)控研究[D]. 宋學(xué)瑞.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2014
[2]基于NV色心量子成像實(shí)驗(yàn)研究[D]. 崔金明.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2013

碩士論文
[1]水下大型目標(biāo)的磁探測(cè)研究[D]. 王楊婧.西安電子科技大學(xué) 2012



本文編號(hào)：3353020