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　　申請號：201510783904.0
　　申請人：北京航空航天大學
　　發明人：袁珩 曹傳桂 張剛源 張冀星

　　摘要：本發明涉及一種基于金剛石NV―色心的加速度傳感器，用含有高濃度NV―色心的金剛石作為磁場敏感元件，以NV―色心系綜電子二能級系統在激光脈沖下產生的拉比振蕩頻率為測量對象，通過光檢測磁共振技術(opticaldetectionmagneticresonance,簡稱ODMR)對拉比振蕩頻率的測量，實現在外界加速度作用下靜磁場源與高濃度NV―色心的金剛石的相對位移變化所導致變化磁場的高精度的測量，進而實現加速度信息的測量。本發明結合了傳統加速度傳感器的質量-彈簧結構、微納光-機-電技術與對金剛石NV―色心量子操控的原理，利用金剛石NV―色心可用于超高精度磁場測量的特點，可以得到小體積、超高精度、高靈敏度、測量范圍大的加速度傳感器元件。對于加速度計、重力儀等技術有著重要的價值。 　　主權利要求：1.一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：該加速度傳感器內部元件包括半導體激光器(2)、彈簧(3)、U型磁鐵(4)、濾光片(5)、雪崩光電二極管(6)、光纖(8)、環形器(9)、磁場敏感部件(10)和固定架(11)；所述磁場敏感部件內部包含微波導線(7)，左微波波導(12)、右微波波導(13)、介質膜(14)以及NV-色心金剛石(15)；半導體激光器(2)、彈簧(3)、U型磁鐵(4)、濾光片(5)、雪崩光電二極管(6)、光纖(8)、環形器(9)、磁場敏感部件(10)和固定架(11)集成封裝在金屬外框(1)內，半導體激光器(2)發出的532nm激光通過光纖(8)導入到環形器(9)后，經光纖(8)到達NV-色心金剛石(15)，從而激發NV-色心系綜電子能級；NV-色心金剛石(15)受激發后由于感受左微波波導(12)、右微波波導(13)輻射出來的微波磁場，NV-色心激發態電子將與微波產生共振并發出波長范圍為600nm-800nm的熒光，其中心波長為637nm；NV-色心金剛石(15)發出的熒光經過介質膜(14)反射通過光纖(8)返回環形器(9)，然后熒光通過光纖(8)到達濾光片(5)濾掉532nm綠色反射激光只讓熒光通過，之后熒光到達雪崩光電二極管(6)，通過熒光的收集和數據處理系統形成ODMR光譜，然后通過測量ODMR光譜中的拉比振蕩頻率進而實現磁場測量；固定架(11)用于固定磁場敏感元件(10)，以防在加速度作用下，磁場敏感元件左右移動，影響測量結果；左微波波導(12)、右微波波導(13)通過微波導線(7)連接到微波波源，并且緊貼在NV-色心金剛石兩側，給NV-色心金剛石提供2.87GHz的微波；U形磁鐵(4)和彈簧(3)構成質量-彈簧結構，彈簧(3)呈X形狀平衡掉U型磁鐵(4)向下的重力；當外界存在線加速度時，質量-彈簧結構左右運動拉伸或壓縮，造成NV-色心金剛石感受到的外部磁場環境發生變化，故可以通過ODMR中的拉比振蕩頻率變化測得外界磁場環境的變化，進而測得質量-彈簧結構與磁場敏感部件的相對位移變化，最終分析整個加速度傳感器內部存在的數學關系建立數學模型測得線加速度。
　　2.根據權利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：所有加速度傳感器的部件都集成封裝在磁屏蔽性能良好的金屬外框(1)內；該加速度傳感器體積小，成本低，重量輕便于移動和攜帶。
　　3.根據權利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：利用高濃度金剛石NV-色心可用于超高精度磁場測量的特點進而實現外界線加速度高精度測量。
　　4.根據權利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：所述NV-色心金剛石是高濃度NV-色心金剛石。
　　5.根據權利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：基于金剛石NV-色心的加速度傳感器的金屬外框是磁屏蔽性能良好的材料，以避免“端接效應”和磁力線穿透屏蔽體范圍；使得在金剛石NV-色心加速度傳感器在復雜的電磁場環境下能夠正常工作，保證了加速度測量的精度和穩定性。
　　6.根據權利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：所述光纖(8)端部的橫截面尺寸與高濃度NV-色心金剛石尺寸相匹配。
　　7.根據權利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：磁場敏感元件內部使用了兩根微波波導，分別緊貼在高濃度NV-色心金剛石的兩側，作為單極子天線輻射出2.87GHz的微波；在不同微波時序期間分別向兩根微波波導饋送微波，對測得的信號做差分數據處理，可以降低噪聲。
　　8.根據權利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：靠近NV-色心金剛石的光纖端面覆有介質膜，反射熒光中心波長為637nm。
　　9.根據權利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：高濃度NV-色心金剛石傳感器采用了特定的質量-彈簧結構；X彈簧可以平衡掉U型磁鐵的重力并且可以通過調節彈簧的阻尼系數來調節加速度傳感器的靈敏度，并且增大了加速度傳感器的測量范圍。
　　10.根據權利要求1所述的一種基于金剛石NV-色心的加速度傳感器，其特征在于：所述的通過測量ODMR光譜中的拉比振蕩頻率進而實現磁場測量為：通過測量ODMR光譜中的拉比振蕩頻率進而實現高精度的磁場測量，其中，測量靈敏度達到100pT/Hz0.5量級。