锁相放大相机在NV色心成像中的应用

锁相放大相机在NV色心成像中的应用

NV色心（氮-空位色心）是金刚石中由氮原子和邻近空位形成的缺陷，其基态能级在外磁场作用下产生劈裂，在此基础上通过光探测磁共振（ODMR）可检测磁场强度。本文提出一种基于锁相放大相机的NV色心磁成像方法。其通过锁相放大相机可以同步各个像素采集特定频率荧光信号。实验表明，该方法可实时解析NV色心荧光强度在一定磁场强度下的周期性响应，进而测量实验所施加的磁场强度。

NV色心磁成像简介

图1 NV色心金刚石晶格结构图

NV色心（Nitrogen-Vacancy Center）是金刚石晶格中的一种原子级点缺陷，由邻近碳空位的一个氮原子替代碳原子构成。其结构赋予其多维度物理特性，成为量子科技领域的核心研究对象之一。

图2 NV色心能级跃迁图（来源：维基百科）

氮空位中心具有一个基态三重态（³A）、一个激发态三重态（³E）以及两个中间态单重态（¹A和¹E）。³A和³E均包含mₛ=±1自旋态（其中两个电子自旋平行排列，向上为mₛ=+1，向下为mₛ=-1）和mₛ=0自旋态（电子自旋反平行排列）。由于磁相互作用，mₛ=±1态的能量高于mₛ=0态，在没有外界磁场时，mₛ=±1简并，¹A和¹E各自仅包含一个mₛ=0的单重自旋态。见图2。

光学跃迁需遵循总自旋守恒原则，因此仅允许总自旋相同的能级间发生跃迁。具体而言，使用波长532 nm的绿色激光可诱导基态与激发态（自旋相同）之间的跃迁。而电子从激发态回落至基态时，就会因辐射跃迁发出637nm附近的红光。此外，电子从激发态mₛ=±1回落时，会有更大的可能通过非辐射跃迁回落至中间态，并大概率回落至mₛ=0的基态，这个过程不发出红色荧光。

经过多次循环，氮空位中心（无论初始为mₛ=0或mₛ=±1）将zui终ji化至mₛ=0基态。此过程可用于量子信息处理或量子传感中的量子比特初始化。

光探测磁共振

当外磁场作用为0时，在基态能级中，mₛ=±1能级因为对称性是简并的，此时ms=0的能级因为零场比mₛ=±1能量低。当沿氮空位中心缺陷轴（氮原子与空位连线的对称轴）施加外磁场时，mₛ=0态不受影响，但会导致mₛ=±1能级发生分裂（塞曼效应）。

当用微波信号扫描NV色心时，可以使基态的能级分布生转变，使得更多电子变为mₛ=±1能级，从而使得荧光信号减弱。通过收集荧光信号我们就可以获得电子能级分布变化。

图3 单个NV中心的光学探测磁共振谱示意图

上图是ODMR方法测得NV色心的磁共振谱，图中显示有两个关于2.87GHz对称的峰，这两个峰之间的频率差值可以用以下公式表达：

其中，是磁旋比，g是朗德因子，是玻尔磁子，h是普朗克常量。于是，磁场强度就跟两个峰值的频率差联系起来了。NV色心磁共振成像方法为磁场测量、量子传感、精密测量及生物标记等领域提供了高效技术支持。

高速锁相放大相机在NV色心成像中的应用

图4 NV色心磁测量的实验流程图

图4是一类NV色心磁成像实验的流程图，其中主要包括以下几个模块。

1.微波激发与调制模块

调制电流源驱动PCB微线圈，生成局部磁场作用于NV色心。信号发生器提供参考调制信号，经放大后通过PCB环形天线发射微波，用于操控NV色心的自旋态。

2.光学激发与荧光接收

532 nm激光器结合声光调制器（AOM）及光学组件，产生脉冲激光：激光经二向色镜反射，通过100倍物镜聚焦至NV色心样品。绿色截止滤光片滤除激发光杂散信号，仅保留NV色心荧光。

3.脉冲发生与微波调制

脉冲发生器（Pulse Blaster）发出脉冲波后分为两路：

其中一路控制信号发生器发出调制后的微波。在这个过程中，脉冲发生器（Pulse Blaster）发射KHz频率量级的脉冲，而信号发生器发射的微波信号在ω−ωdev之间来回跳跃且同步步进，跳跃频率与脉冲发生器的发射的脉冲频率一致，另一路作为锁相放大相机的参考脉冲进入锁相放大相机提供参考频率。

图5 微波信号的脉冲调制

4.锁相放大相机数据采集

锁相放大相机是一种把锁相放大器和cmos相机功能结合起来的设备，且能够同时协调所有像素进行一整个平面的锁相成像。将参考频率输入后，锁相相机就可以直接在复杂环境下解调特定调制频率的荧光信号，从而更迅速实时地捕获荧光强度变化信息，也大大节省了实验装置所需要的空间。

heliCamTM系列锁相放大相机在NV色心的成像实验中，拥有500Ke-的满井容量、接近80%的量子效率以及0.14mW/m2的探测灵敏度，这些优异的参数性使其能在NV色心的相关磁成像实验中可以灵敏准确捕捉每个像素的每个像素的幅度和相位信息，双相锁相并行算法则能够更有效抑制背景噪声。上海昊量光电作为国内专业的光电设备代理商，是heliCamTM系列产品的代理商。对于任何产品有兴趣或者有任何问题，都欢迎通过电话、电子邮件或者微信与我们联系。

本文部分资料来源：

[1]Parashar M, Bathla A, Shishir D, et al. Sub-second temporal magnetic field microscopy using quantum defects in diamond[J]. Scientific reports, 2022, 12(1): 8743.

[2]Jensen K, Kehayias P, Budker D. Magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond[M]//High sensitivity magnetometers. Cham: Springer International Publishing, 2016: 553-576.

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