【摘 要】
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基于量子技术的磁测量传感器凭借其优异的性能在地球科学、生物医学和基础物理科学等高精度测量领域有重要的应用价值。氮空位（nitrogen-vacancy,NV）色心磁探测技术相较于其他量子磁测量技术具有在常温下工作、无需磁屏蔽、全固态等优异的特性,受到了很大的关注。随着NV磁强计研究的不断发展,其性能也在不断提升,已经初步具备多种实际环境的应用能力。为了加快NV磁强计的应用,解决其集成设计、集成性能
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基于量子技术的磁测量传感器凭借其优异的性能在地球科学、生物医学和基础物理科学等高精度测量领域有重要的应用价值。氮空位（nitrogen-vacancy,NV）色心磁探测技术相较于其他量子磁测量技术具有在常温下工作、无需磁屏蔽、全固态等优异的特性,受到了很大的关注。随着NV磁强计研究的不断发展,其性能也在不断提升,已经初步具备多种实际环境的应用能力。为了加快NV磁强计的应用,解决其集成设计、集成性能提升等问题已成为国内外多个研究小组的重点研究方向之一。本文主要针对NV磁强计集成化关键技术:光源小型化、敏感头结构优化设计、系统性能标定等进行了深入研究,完成的集成NV磁强计样机指标与国内外公开报道的同类型磁强计相比处于同等甚至先进水平。主要研究内容包括:1.提出了520 nm激光二极管代替传统NV磁强计中532 nm激光器的设计技术,有效提升了NV磁强计的稳定性和集成度。相较于光纤激光器集成的NV磁强计样机,利用激光二极管集成的样机在体积、集成度、性价比方面具有优势,且稳定性高。2.对NV集成磁强计结构进行了优化设计,实现了金刚石、光学元件、微波天线、光电探测器及后续处理电路的集成化设计,NV磁强计探头由之前的10 cm~3减小到1.54 cm~3,噪声水平由67 n T·Hz-1/2提高到20.77 n T·Hz-1/2,集成探头组装精度小于50μm,有效提升了系统性能。3.对所研制NV集成磁强计进行性能测试与标定,得到的指标如下:低频最小可检测磁场噪声谱20.77 n T·Hz-1/2、散粒噪声1.43 n T·Hz-1/2、磁场测量范围±107μT、磁场转换系数16.88 V/T、系统带宽15 Hz。在此基础上我们总结了磁强计系统灵敏度提升与噪声抑制方法,对下一步芯片级NV磁强计进行了初步设计。
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