基于NV色心的宽场成像系统

作     者：姜海峰 

作者单位：南京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜关祥

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：NV色心 光子散粒噪声 探测灵敏度 空间分辨率 宽场成像 

摘      要：氮-空位(Nitrogen-Vacancy)色心是含氮金刚石中广泛存在的一种晶格缺陷,在室温环境下,NV色心具有优异的光学特性,同时具备自旋寿命较长、能够进行光学自旋态的初始化与读出、可相干微波自旋操控等优势,因此NV色心在微波磁场精密测量领域广泛应用。成像表征可实现空间场分布信息的获取,是对待测物体的目标信息的重构。不同于微型磁场探头、超导量子干涉仪(SQUID)等串行逐点扫描测量的方法,并行宽场成像可以快速获取大区域目标场信息。基于以上背景,本文主要对基于NV色心的宽场成像技术展开研究:1、基于量子金刚石显微镜技术,选用富含NV色心的金刚石薄膜样品,采用共聚焦技术与显微成像技术相结合,成功搭建了宽视场快速微波场成像系统。2、利用多通道脉冲发生器实现激光脉冲、微波开关脉冲、微波源以及CMOS相机同步工作;通过软件编程实现差分图像帧实时采集功能,并采用多帧重复测量求平均的方法,降低测量噪声,改善成像质量,提升了系统探测灵敏度。分析了系统噪声,包括光子散粒噪声、暗电流噪声及读出噪声。最后通过脉冲ODMR测量实验以及拉比振荡测量实验验证了系统的可行性。3、评估了成像系统各项参数。根据实验得到的相关数据推算出本系统的探测灵敏度可达2uT/(Hz);空间分辨率为1.5μm,选用大数值孔径的物镜,空间分辨率能够达到400nm;成像效率高,进行一次完整的宽场成像测试仅需900ms。最后实现了晶体管放大器部分区域表面微波场快速成像,验证了系统良好的磁成像能力。本文提出了一种基于金刚石NV色心的宽视场快速成像技术,具有空间分辨率高、成像范围广以及快速实时成像等优势,有望为微波射频芯片快速无损检测提供一种全新的技术手段。