摘要
磁场测量在科学研究，工业生产及国防军事等领域有着广泛的应用。特别是在脑磁、生物神经磁场、材料科学、数据存储以及核磁共振信号检测等前沿研究领域受到众多科研学者的关注。本论文基于金刚石氮-空位（NV）色心设计了一种免校准的矢量磁力计，实现了磁场矢量信息的完全重构（包括磁场大小和朝向）。 相较于标量磁场探测，矢量磁场测量可精准探测磁异常的方位信息。NV色心作为量子磁探针，同时兼备高灵敏度、高空间分辨率的优势。但由于金刚石NV色心的c3v对称性，导致利用单个NV色心光探测磁共振过程探测磁场具有一定的局限性，其仅能提取出磁场大小以及磁场与色心轴向的夹角。可以利用三个不同轴向的色心打破这种对称性，实现矢量磁场探测。但是NV色心在金刚石内部的位置和轴向具有随机性，为了实现矢量磁场在实验室坐标系的探测，需要对NV色心轴向进行校准。目前常用的方法有：1、利用三维电磁铁产生360°全方位扫描的磁场，并同步测量光探测磁共振谱，从而获取NV色心的轴向信息；2、利用NV色心荧光是偏振各向异性的，通过连续改变激发光的偏振方向实现了NV色心轴向的校准。以上两种方案均需耗费较长时间校准NV色心的位置和轴向，这会引入背景噪声和色心漂移，严重限制了矢量磁场探测的空间分辨率和灵敏度，亦阻碍了其在动态磁场测量方面的应用。 涡旋光场因在单原子分子操控领域的优势，已被广泛应用于单分子、金纳米颗粒的三维成像和操控研究。本论文将涡旋光场应用于NV色心矢量磁场探测研究。具体研究内容如下： 1、理论分析了NV色心与角向偏振光的相互作用过程。NV色心具有双光学偶极子，我们模拟了其与角向偏振光的相互作用过程，分析了不同轴向的NV色心在角向偏振光激发下的荧光扫描图像。 2、实验测量角向偏振光激发的NV色心荧光图像，扫描{111}切向金刚石样品中NV色心并获得四种不同的荧光图像。通过对荧光图像采取“理论模拟-图像匹配”方法提取NV色心轴向信息。 3、联合NV色心的轴向信息和光探测磁共振谱，利用三个不同轴向的NV色心实现矢量磁场探测，使其磁场朝向探测灵敏度达到了0.01rad。
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