本實用新型涉及固態(tài)金剛石NV色心非交換量子幾何相位檢測，具體為一種核磁共振原子陀螺儀。

背景技術：

原子陀螺是近幾年發(fā)展起來的新技術，主要通過激光抽運的方式對目標電子進行極化來感知外部載體轉動（自旋極化）。依靠目標原子自旋制成的陀螺具有體積小、靈敏度高等優(yōu)點，是未來陀螺技術發(fā)展的新方向。世界各國對核磁共振陀螺（NMRG）的研制主要有室溫光泵浦NMRG和低溫超導NMRG兩個方向。室溫光泵浦NMRG早在1960年美國就開始進行深入的研究，開發(fā)了工作介質、激發(fā)系統(tǒng)等關鍵技術，研制了原理驗證樣機；同時，Stanford大學、ARE（Slough）和Sussex大學、Princeton大學等在低溫超導NMRG的研發(fā)中取得了很大的成績；美國DARPA機構（美國國防部先進研究項目局）提出了Micro- PNT發(fā)展戰(zhàn)略（Microtechnology for Positioning，Navigation，and Time），通過將芯片級的原子鐘與微慣性測量單元(IMU)技術融合的手段，來降低系統(tǒng)尺寸、重量和功耗，發(fā)展集微型位置定位、導航與授時于一體的集成系統(tǒng)。諾斯羅普·格魯門公司獲得NGIMG全程支持，他們所研制的NMRG陀螺樣機精度已經達到了0.02°/h，隨機游走達到了0.005°/h^1/2，體積達到了10cm³。這些研究標志著高精度、微小型陀螺技術取得重大突破，成為了世界上達到導航級精度中，體積最小的陀螺。

金剛石氮空位色心（NV色心）陀螺是結合量子操控、量子材料、半導體激光和微納集成技術提出來的最新型固態(tài)原子陀螺，是近幾年發(fā)展起來的原子陀螺技術，國內外還處于原理驗證階段。NV色心在室溫下具有優(yōu)異的光讀出、極化性質以及毫秒量級的相干時間，是目前最成功的自旋磁共振體系之一?；贜V色心的原子自旋啟動時間極短（μs），穩(wěn)定性高，對磁場和溫度的要求低，具有優(yōu)良的角速率敏感特性，可以實現三個方向的角速率信息測量，互相耦合低；金剛石陀螺具有高靈敏度的潛力，采用目前比較成熟的檢測技術，隨機游走可達到，滿足戰(zhàn)術級慣性導航與制導的應用需求，隨著金剛石中C抽運技術的快速發(fā)展，未來有望達到慣性級的技術指標。

技術實現要素：

本實用新型主要針對目前陀螺儀角速率檢測靈敏度低、體積大、功耗高、溫度漂移大等缺點，基于NV色心對稱軸四個方向幾何相位敏感轉動角速率的特性，提出了一種基于非交換幾何相位（Non-abelian geometric phase）的核磁共振陀螺儀。應用原子激發(fā)、量子調控等前沿技術，在激光、外加磁場、微波和射頻的作用下對NV色心能級進行調控，利用鎖頻技術檢測頻率躍遷并用熒光數量布居變化進行收集和讀取，研制高性能的非交換量子幾何相位NV色心陀螺。

本實用新型的NV陀螺儀結構和測試方法如下：

金剛石中的氮空位（NV）色心，是由一個氮原子取代了金剛石中的一個碳原子并且捕獲周圍的一個空穴形成的，其結構具有C_3V對稱性。根據帶電量的不同，NV色心分為NV⁰（中性）和帶負電的NV^-1。常用的NV色心為NV^-1，常用的NV色心為NV^-1。

NV色心的電子、核自旋能級結構如圖1所示。電子基態(tài)為自旋三重態(tài)（S=1），在無外部磁場或者應力的作用時，m_s=±1是簡并的，m_s為S沿對稱軸方向的投影有關的量子數。由于自旋-自旋的作用，m_s=0與m_s=±1之間的零場分裂能級為D=2.87GHz。當沿NV對稱軸方向施加一B_Z的磁場時，基態(tài)能級會產生一個m_sg_sμ_bB_Z的能量偏移，其中g_s≈2為電子的朗德因子，μ_B=8.79rad/s/G為波爾磁子。外加局域應力時，m_s=±1次能級簡并，相對應的基態(tài)能級分裂，分裂的能量為2E ，E 為橫向零場分裂參數，對于高密度NV色心金剛石來說，通常E為幾個MHz。施加幾個Gauss的磁場時其基態(tài)能級近似等于S_z。因此，¹⁴N核自旋（I =1）的精細能級對電子能級的耦合會產生另外的能級劈裂。

金剛石NV色心自旋陀螺實驗脈沖序列如圖2所示。使用532nm激光器照射金剛石表面，同時施加約500Gauss的磁場，這樣NV色心就被激發(fā)到| m_s=0，m_s=+1>態(tài)，實現了初始化。初始化后關閉激光光源，磁場減小到10G（為了提高NV色心的穩(wěn)定性）；此時施加一個 脈沖，| m_s=0，m_s=+1>與| m_s=0，m_s=-1>基態(tài)次能級系統(tǒng)建立了相干態(tài)，兩精細能級躍遷的共振頻率為。在10Gauss磁場同時作用下，經過時間t的自旋自由演化后，超精細能級間的耦合以及試料與外部載體的旋轉，引起核塞曼分裂和幾何相位角積累。然后施加第二個脈沖，將相干態(tài)激發(fā)回到¹⁴N賽曼次能級布居，此時施加微波脈沖，調制頻率到產生¹⁴N精細能級躍遷所需的頻率，選擇性讀出現在狀態(tài)光子的信息。

本實用新型所述非交換量子幾何相位NV色心陀螺的構成主要由角速率敏感部分（具有系綜NV色心的金剛石）、外部激勵部分（主要是激光抽運系統(tǒng)、高頻信號發(fā)生系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)）、熒光探測系統(tǒng)、和時序控制電路及軟件組成。系統(tǒng)具體構成如下：

一種非交換量子幾何相位NV色心陀螺系統(tǒng)， 包括角速率敏感單元，所述角速率敏感單元包括屏蔽箱外殼，所述屏蔽箱外殼上開設激光入射口，所述屏蔽箱外殼內通過線圈底座安裝三軸亥姆霍茲線圈；所述三軸亥姆霍茲線圈內通過金剛石支架安裝含有集群NV色心的金剛石，所述金剛石支架上安裝微波-射頻天線，所述金剛石支架上位于金剛石四周安裝光電二極管。

所述三軸亥姆霍茲線圈通過同軸電纜經底座連接器與外部的磁場控制器相連。

所述光電二極管收集金剛石的熒光后，經過外部的濾波器濾波后，經由鎖相放大器鎖定，并通過示波器讀取熒光信號電壓值。

包括激光器，所述激光器發(fā)出的激光，通過雙色鏡和反射鏡，再經過聲光調制器入射到角速率敏感單元的激光入射口照射在含有集群NV色心的金剛石上。

包括微波源和射頻源，所述微波源發(fā)出的微波信號和射頻源發(fā)出的射頻信號分別經過微波開關和射頻開關通過耦合器接入微波-射頻天線的天線饋電口。

所述聲光調制器、微波開關和射頻開關的時序均由信號發(fā)生器提供。

包括FPGA硬件，所述FPGA硬件控制鎖相放大器、微波源、射頻源及磁場控制器。

金剛石NV色心陀螺系統(tǒng)工作原理：

多重路徑的幾何相位變化結果是非交換性的，基于非交換幾何相位（Non-abelian geometric phase）的NV陀螺對磁場和角度的變化非常敏感，同時有清晰的方向指向；因為NV色心宏觀具有四個對稱軸，所以在原理上它可以通過四個軸向的幾何相位位移測量外部載體三個方向的旋轉信息。因此，利用NV色心自旋的非交換幾何相位積累實現外部載體角速率變化測量。在本方法中，NV對稱軸轉動引起NV^-電子基態(tài)±1能級的頻率遷移、相位變化與對稱軸固態(tài)角偏轉量成正比，同時該非交換幾何相位通過外部序列操控實現高精度測量。帶NV色心系綜的塊狀金剛石在磁場、微波和激光作用下，圍繞z軸轉動時，其時間演化算子用公式（1）表示，此時，外界角速率變化引起的基態(tài)能級勢能變化A 可用公式（1）給出。

（1）

上述公式表明，該能量變化與轉動角Φ 和方位角θ 有直接關系。保持Φ 和θ 兩個參數中的一個恒定，外界角速率轉動引起的幾何相位角在{±1,|0}積累變?yōu)椋?/p>

（2）

其中為系統(tǒng)旋轉時的自旋極化角度。因此，就得到了外界角速率變化與自旋極化的關系。這里自旋極化的讀出利用通用的熒光讀出方法。當θ=30°時，公式（2）可以簡化為：

（3）

NV色心對外界角速率變化的敏感呈現規(guī)律性，能級在外加500G磁場情況下，量子幾何相位可以通過自旋態(tài)矢量受外界敏感角速率的初態(tài)、末態(tài)進行疊加，通過哈密頓量變化可以解算外界角速率。

利用NV色心對稱軸四個方向幾何相位敏感轉動角速率而制成的核磁共振陀螺采用如圖所示的方案和脈沖調控序列，在外加磁場、微波和射頻的作用下，實現的角速率測量。其中利用鎖頻技術檢測得到的頻率躍遷為，用熒光檢測的對比度進行確認。該原理的NV原子陀螺檢測靈敏度可以表示為：

其中，為退相干時間，為測量時間，R 為m_s= 0與m_s= 1態(tài)的自旋態(tài)檢測對比，為光子收集效率，N 為參與熒光發(fā)射的NV^-色心數量。隨著NV色心濃度的增加、退相干時間的延長，該陀螺的靈敏度還可以提升至10^-5 rad s^-1Hz^-1/2以上。

附圖說明

圖1表示NV色心的電子、核自旋能級結構示意圖。

圖2表示金剛石NV色心自旋陀螺實驗脈沖序列圖。

圖3表示NV色心陀螺系統(tǒng)搭建示意圖。

圖4表示角速率敏感單元空間結構示意圖。

圖5表示三軸亥姆霍茲線圈內部結構示意圖。

圖中：3-角速率敏感單元，4-激光器，5-信號發(fā)生器，6-雙色鏡，7-反射鏡，8-聲光調制器（AOM），9-耦合器，10-微波源，11-射頻源，12-鎖相放大器，13-示波器，14-FPGA硬件，15-濾波器，16-磁場控制器，17-射頻開關，18-微波開關，301-微波-射頻天線，302-含有集群NV色心的金剛石，303-屏蔽箱外殼，304-屏蔽箱鎖槽，305-激光入射口，306-同軸電纜，307-三軸亥姆霍茲線圈，308-線圈底座，309-金剛石支架，310-天線饋電口，311-光電二極管。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的具體實施例進行詳細說明。

一種非交換量子幾何相位NV色心陀螺系統(tǒng)，主要由角速率敏感部分（具有系綜NV色心的金剛石）、外部激勵部分（主要是激光抽運系統(tǒng)、高頻信號發(fā)生系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)）、熒光探測系統(tǒng)、和時序控制電路及軟件組成。

具體系統(tǒng)框圖如圖3所示：包括激光器4，所述激光器4發(fā)出的激光，通過雙色鏡6和反射鏡7，再經過聲光調制器8入射到角速率敏感單元3的激光入射口305照射在含有集群NV色心的金剛石302上。

如圖3所示包括微波源10和射頻源11，所述微波源10發(fā)出的微波信號和射頻源11發(fā)出的射頻信號分別經過微波開關18和射頻開關17通過耦合器9接入微波-射頻天線301的天線饋電口310。所述聲光調制器8、微波開關18和射頻開關17的時序均由信號發(fā)生器5提供。

如圖3所示包括FPGA硬件14，所述FPGA硬件14控制鎖相放大器12、微波源10、射頻源11及磁場控制器16。

其中，函數發(fā)生器實現對微波開關、射頻開關、聲光調制器（AOM）的時序控制。高頻信號發(fā)生系統(tǒng)一路由微波發(fā)生器、射頻源、高頻信號開關及耦合器組成。微波、射頻信號經過耦合器與天線饋電口相連，搭載在金剛石上，使得高頻信號作用在金剛石NV色心上，兩路高頻信號通過對應的微波開關和射頻開關實現不同時序輸出；磁場控制器主要由三維亥姆霍茲線圈和直流電源構成，通過調節(jié)電流源獲得穩(wěn)定磁場；激光抽運部分由532nm的綠光激光器產生激勵光，經聲光調制器（AOM）、雙色鏡和反射鏡對激光進行控制，并對金剛石的NV色心進行脈沖激勵；激發(fā)的熒光被分布于金剛石四周的光電二極管接收，通過濾波，經由鎖相放大器進行鎖定，最后進行NV自旋態(tài)檢測。整個系統(tǒng)有FPGA硬件實現同步通斷控制。

角速率敏感系統(tǒng)分布如圖4、5所示：包括角速率敏感單元3，所述角速率敏感單元3包括屏蔽箱外殼303，所述屏蔽箱外殼303上開設激光入射口305，532nm激勵光通過金屬屏蔽箱上的小孔照射到金剛石表面。所述屏蔽箱外殼303內通過線圈底座308安裝三軸亥姆霍茲線圈307；所述三軸亥姆霍茲線圈307內通過金剛石支架309安裝含有集群NV色心的金剛石302，金剛石放置在金屬屏蔽箱的中間部位，微波源、射頻源經同軸電纜與耦合器相連，耦合器另一端與微波-射頻天線結構相連，天線結構經固定機構固定在金剛石支架上，金剛石通過支架放置在三軸亥姆霍茲線圈的中間。所述金剛石支架309上安裝微波-射頻天線301，所述金剛石支架309上位于金剛石四周安裝光電二極管311。

所述三軸亥姆霍茲線圈307通過同軸電纜306經底座連接器與外部的磁場控制器16相連，產生穩(wěn)定的磁場。

四個光電二極管放置在金剛石的四個方向，用于收集金剛石發(fā)出的熒光信息。所述光電二極管311收集金剛石的熒光后，經過外部的濾波器15濾波后，經由鎖相放大器12鎖定，并通過示波器13讀取熒光信號電壓值。

除去激光器、微波源、射頻發(fā)生器與磁場控制器，角速率敏感系統(tǒng)全部放置在屏蔽箱里，用于隔磁、除光。

工作流程：激光器4發(fā)出532nm的激光，通過雙色鏡6和反射鏡7，再經過聲光調制器8入射到金剛石302上；微波源10和射頻源11信號分別經過微波開關18和射頻開關17通過耦合器9接入天線301的饋電口310，輻照在金剛石上；聲光調制器、微波開關、射頻開關的時序均由信號發(fā)生器5提供；磁場控制器16通過改變電流大小使敏感單元3內部的三軸亥姆霍茲線圈產生均勻磁場。整個過程中產生的熒光通過光電二極管收集，經過濾波器15濾波后，經由鎖相放大器12鎖定，并通過示波器13讀取熒光信號電壓值，進而進行NV自旋態(tài)檢測。

最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，盡管參照本實用新型實施例進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本實用新型的技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋權利要求保護范圍中。