摘要
随着磁传感器技术和弱磁场测量仪器的快速进步，弱磁场探测技术也随之取得了显著提升，不仅在测量灵敏性和精确度上均有大幅度改进，并且在生物科学、矿产资源勘查、军事等诸多领域获得了广泛应用。金刚石氮空位（Nitrogen-Vacancy， NV）色心在室温条件下具有高灵敏度、高分辨率、强稳定性以及易操纵与读出等特点，使其在量子传感、弱磁测量和信息处理等领域有着广阔的应用前景。目前利用NV色心进行磁场的测量主要是通过光学探测磁共振（ Optical detection magnetic resonance，ODMR）技术结合调制解调的方法来进行，连续的扫频会带来激光线宽的影响，灵敏度会受到限制。量子调控主要有拉比振荡，Ramsey时序以及自旋回波等方法，其中，Ramsey干涉技术的优势在于它避免了激光展宽的问题，并且能够通过采用较弱的微波场来减少由微波引起的展宽效应，同时测试速度较快，在针对低频磁场的测量场景中，理论上来讲，Ramsey干涉法相较于ODMR技术提供了更为优越的测量手段。同时，引入MFC（Magnetic flux concentration，MFC）结构与Ramsey调控手段相结合，能够使理论系统灵敏度提升到fT量级。 本文利用Ramsey量子调控手段，实现了静态磁场的检测，同时利用MFC结构完成了磁场检测的增强，使灵敏度得到提升。最后，利用实验系统实现了相关微位移实验的测量与验证。 论文首先探究了现有磁检测的发展，以及基于金刚石NV色心的磁检测技术，对国内外研究现状进行了调查，确定了本研究的意义。之后，从金刚石NV色心自身出发，详细阐述了其能级结构、晶格布局、以及磁敏感机理，通过分析利用光学探测磁共振法、拉姆齐干涉法、自旋回波法以及动力学解耦磁检测原理，确定利用拉姆齐干涉法来测静态磁场的优势。 其次，自主搭建了NV色心磁场测量系统，其中核心组件涵盖：系综金刚石NV色心样品，光路系统，微波系统，三轴磁场系统、信号采集处理系统，在完成系统搭建后，对其实验功能执行了全面验证。通过脉冲ODMR以及Rabi测试确定实验所需的共振频率和π脉冲时长，为接下来利用拉姆齐序列高效操控NV色心奠定了基础。 最后，分析利用Ramsey测试方法得出在不同磁场梯度下的实验结果。通过仿真验证设计了一款喇叭状MFC结构，放大倍数为41.5倍。比较在有无MFC的情况下，Ramsey曲线频率变化，验证了MFC对待测磁场增强的有效性，将系统磁检测灵敏度提升到44.6 MHz/Gs，极限噪声灵敏度达到0.08 nT/Hz1/2。通过测量不同磁场梯度变化过程，实现了微位移的测量，其最小可分辨率为49 nm ，最小位移灵敏度为22nm/Hz1/2，验证了自旋调控结合MFC的微位移高精度检测的可行性。
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