鎖相放大器應(yīng)用文獻(xiàn)：基于金剛石中氮空位（NV）的量子溫度傳感器

【概述】
2021 年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)&中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在Review of scientific instruments 發(fā)表了一篇題為《A robust fiber-based quantum thermometer coupled with nitrogen-vacancy centers》文章，報(bào)道了基于金剛石中氮空位（NV）中心的量子溫度傳感器。
 

圖1. (a)混合光纖溫度計(jì)裝置示意圖  (b) 傳感器的簡(jiǎn)化示意圖。 (c)基于光纖量子溫度計(jì)進(jìn)行溫度成像的芯片。

文章提出利用金剛石中的氮空位中心對(duì)不同物理量的敏感特性，設(shè)計(jì)一種光纖量子溫度計(jì)，它能有效地隔離磁場(chǎng)噪聲和微波功率漂移。采用頻率調(diào)制的方法，通過(guò)檢測(cè)高密度氮空位系綜中光測(cè)核磁共振譜的銳傾角變化，實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量。由于其實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單和兼容性以及隔離磁和微波噪聲的魯棒性，該量子溫度計(jì)隨后被應(yīng)用于靈敏度為18 mK/Hz的電子芯片的表面溫度成像。為在模糊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)高靈敏度溫度測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

【樣品 & 測(cè)試】
如圖 1(a) 所示。 NV中心整體由 [N]≈55 ppm和[NV-] ≈ 0.15 ppm 組成，金剛石通過(guò)等離子體輔助化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)的 [100] 表面取向。如圖1（b）所示，將附著在纖芯直徑為100 µm的多模光纖尖端的金剛石進(jìn)行機(jī)械拋光并切割成尺寸為200×200×100 µm^3的薄膜。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)波長(zhǎng)532nm的激光通過(guò)聲光調(diào)制器（AOM, AA optoelectronic MT250-A0.5-VIS）耦合到多模光纖中。其中部分激光被分離并在光電二極管 (PD, Thorlabs PDA36A) 上進(jìn)行測(cè)量。然后將信號(hào)輸入到比例積分微分控制器（PID，SRS SIM960）以穩(wěn)定激光功率。

由同一根光纖收集的光致發(fā)光 (PL) 通過(guò) 647 nm 長(zhǎng)通濾光片，最終被發(fā)送到光電探測(cè)器 (Thorlabs APD130A2/M)。使用鎖相放大器（LIA，Sine Scientific Instruments OE1022）通過(guò) MW 的幅度調(diào)制 (AM) 或頻率調(diào)制 (FM) 對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行噪聲過(guò)濾和放大。 MW 發(fā)生器（Rohde & Schwarz SMB 100A）的輸出射頻信號(hào)被發(fā)送到 LIA 作為參考。此外，輸出MW通過(guò)開(kāi)關(guān)（M-C ZASWA-2-50DR+）送到大功率放大器（M-C ZHL-16W-43），最后通過(guò)外徑為0.5的五匝銅環(huán)輸出毫米纏繞在光纖陶瓷塞芯上。
 

圖2(a) 紅色熒光量和 ZFS 位置偏移 (ΔD) 作為綠色激光功率的函數(shù)。 遠(yuǎn)離飽和，熒光隨著激光功率線性增加（藍(lán)線）。 由于激光加熱效應(yīng)，ZFS 參數(shù)線性下降（黑線）。 (b) 在不施加偏置磁場(chǎng)的情況下，通過(guò) FM 和 AM 用單個(gè) MW 源記錄的 CW-ODMR 光譜。 (i) AM 光譜呈現(xiàn)出銳傾結(jié)構(gòu)，無(wú)法通過(guò)雙洛倫茲（綠色）或高斯（粉紅色）輪廓再現(xiàn)。(ii) FM 頻譜表現(xiàn)出 f0;f±1 的三個(gè)典型頻率，對(duì)應(yīng)于 FM 鎖定信號(hào)過(guò)零，從而提供最大的溫度響應(yīng)

通過(guò)用333 Hz（鎖相放大器時(shí)間常數(shù) τ = 30 ms）方波調(diào)制處理 AOM，研究NV 中心的紅色熒光量與激光功率的函數(shù)，如圖2（a）中實(shí)心藍(lán)點(diǎn)所示，并進(jìn)行線性擬合。在不飽和的情況下，熒光隨激光功率線性增加。通常，由于單個(gè) NV 中心的吸收截面和固有的功率展寬可以忽略不計(jì)，隨著整體體積和密度的增加，達(dá)到飽和狀態(tài)變得更加困難。相反，從 ODMR 光譜中提取的 ZFS 隨著激光功率的增加而降低，如圖 2（a）中的實(shí)心黑點(diǎn)所示。然而，對(duì)于光纖溫度計(jì)來(lái)說(shuō)，高功率泵浦激光器加熱效應(yīng)會(huì)顯著影響溫度的檢測(cè)精度。因此，必須將激光功率設(shè)置在10 mW以下。在這種情況下，可以將金剛石的溫度保持在室溫，并將局部溫度變化傳遞到金剛石上，利用NV中心進(jìn)行檢測(cè)。
 

圖3 (a) 和 (b) 樣本 A 的 FM ODMR 頻譜的最大斜率作為 MW 功率和調(diào)制偏差的函數(shù)，中心頻率分別固定在 f0 和 f+1。 (c) 和 (d) 方程的模擬結(jié)果。（e）（a）和（c）中粉紅色虛線的橫截面。陰影區(qū)域中小于10％的靈敏度變化表明MW功率漂移的動(dòng)態(tài)范圍。 (f) 模擬 ODMR 光譜的最大斜率， f0 作為矢量地磁場(chǎng)的函數(shù)。 在這里，提取的最大斜率被歸一化，模擬參數(shù)與（c）和（d）相同。
 

圖4中心頻率為 f0 的 FM 方案隔離磁場(chǎng)噪聲和 MW 功率漂移 (a) 簡(jiǎn)化的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。 (b)亥姆霍茲線圈以 1 Hz 振蕩的 5.2 μT 偏置磁場(chǎng)鎖定的信號(hào)。 當(dāng)中心頻率固定在 f0 時(shí)，我們的技術(shù)對(duì)磁噪聲不太敏感。(c) 鎖定信號(hào)與傳感器到鋁筒距離的變化。 (d)加熱、等待、冷卻三個(gè)過(guò)程溫度變化LIA測(cè)到的信號(hào)。 在17分鐘(插圖)出現(xiàn)了一個(gè)跳躍，主要是由于在加熱時(shí)，靜電磁場(chǎng)消失。
 

圖5（a）相同幅度的MW時(shí)三個(gè)樣品的ODMR光譜。 (b) 按調(diào)制偏差 fd 和形狀分類(lèi)，有 sine-inside、sine-outside、square-inside 和 square-outside 傳感協(xié)議。
 

圖6(a) 和 (b) 樣品 B 的鎖定 ODMR 譜的最大斜率作為 MW 功率和 FM 偏差的函數(shù)。 采用正弦(a)和方波(b)調(diào)制形狀的FM MWs。 (c) 鎖定輸出作為溫度變化的函數(shù)，具有最佳溫度靈敏度，在圖中標(biāo)記為“sine-inside,” “sine-outside,” “square-inside,” and “square-outside” (a) 和 (b)。 (d) 和 (i) 與 (a)-(c) 類(lèi)似的測(cè)量結(jié)果，但鉆石樣品（C 和 D）除外。
 

圖7中心頻率固定為 f0 的電子芯片（虛線框）的溫度掃描。 (a) 和 (b) 分別記錄芯片斷電和通電時(shí)中心頻率固定為 f0 的鎖定信號(hào)。（a）（b）和（c）中粉紅色虛線的橫截面。

【總結(jié)】
研究了位于 ODMR 光譜共振之間的中心的急劇下降，并證實(shí)了它對(duì)溫度敏感性的增強(qiáng)，并提出了一種堅(jiān)固的基于光纖的溫度計(jì)以及 NV 中心。應(yīng)用中心頻率在急劇下降的 FM MW 允許靈敏度為18mK/√Hz在室溫下。這種方法可以通過(guò)單次鎖定測(cè)量來(lái)保護(hù)溫度測(cè)量免受環(huán)境磁場(chǎng)和MW功率漂移的影響。借助基于光纖的溫度計(jì)，我們成功地對(duì)電子芯片的表面溫度分布進(jìn)行了成像。由于其簡(jiǎn)單性和魯棒性，這種量子溫度計(jì)為在模糊環(huán)境中高精度集成芯片和生物內(nèi)窺鏡的微尺度熱檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用鋪平了重要的一步。

【參考文獻(xiàn)】
✽ Shao-Chun Zhang, Yang Dong, et al. " A robust fiber-based quantum thermometer coupled with nitrogen-vacancy centers." Review of scientific instruments (2021)