本發明涉及量子傳感領域，具體是一種基于金剛石氮空位色心的無磁溫控系統。
背景技術：
近年來，隨著原子物理、量子物理技術的不斷發展，精密物理測量技術不斷傳統測量技術極限，基于原子能級磁場作用下的拉莫爾進動磁共振效應，使得物理量測量逐漸逼近理論極限水平，然而原子、量子的基本結構單元在低溫環境下才能表現出超高的信噪比，隨著溫度的上升，電子、光子等結構變得活躍，導致物理測量信噪比嚴重下降，同時針對熱原子技術的原子干涉、原子自旋的物理量測量技術也亟需極其穩定的溫度環境來實現原子的高信噪比檢測。
然而常規的溫控技術多采用電加熱、激光加熱等技術，溫控過程中產生嚴重的磁噪聲，必然會引起原子能級的二階塞曼效應，引入相位噪聲，同時引起基于原子干涉效應測量機理原子相干性波動，導致測試靈敏度下降，因此，針對量子技術的超高精度物理測量技術的應用發展需求，亟需無磁溫度技術來不斷提高量子技術對物理量測量的能力。
技術實現要素：
本發明目的是利用基于室溫單自旋磁控技術，提出一種基于多孔共聚物、金剛石色心、平面微波天線的金剛石色心溫度監測和磁補償系統。
本發明是采用如下技術方案實現的：
一種固態原子自旋傳感器無磁溫控系統，包括金剛石襯底，所述金剛石襯底上加工有金剛石nv色心波導，所述金剛石襯底上設有覆蓋金剛石nv色心波導的多孔磁性pdms薄膜，所述金剛石襯底下表面兩側加工有微帶天線陣列，所述微帶天線陣列連接有微波源；所述金剛石襯底下方設有物鏡，所述物鏡下方設有分光鏡，所述分光鏡下方設有長波通濾波片，所述長波通濾波片下方設有光電二極管；所述分光鏡接收來自于激光器發出的脈沖激光通過物鏡射向金剛石上的氮空位色心波導。
無磁溫控原理：利用納米磁結構復合的多孔共聚物結構在溫度變化過程中磁場隨之變化特性，通過設置溫度調控磁場系數，抵消由于恒溫系統控制過程中的磁噪聲，來抑制溫控過程中的磁噪聲。
工作時，通過分光鏡將激光器打出的激光脈沖經物鏡聚光射向金剛石氮空位色心，激光經nv色心的電子從基態激發到激發態。微帶天線陣列通過微波源產生微波使金剛石nv色心感受到多孔磁性pdms薄膜的磁場變化發出不同的熒光，通過分光鏡和長波通濾波片將收激發產生的熒光送入光電二極管，光電二極管收集經過長波通濾波片濾光的熒光信號轉變為電信號，將電信號傳輸濕度顯示裝置。對于nv色心，在只有外加微波而沒有外加磁場時，只有1個熒光強度峰值，外加磁場后，由于塞曼效應和電子自旋，nv色心的能級會發生分裂，從而出現2個熒光強度峰值，而且兩個熒光強度的峰值所對應的兩個微波頻率的差值與磁場強度有著一定的線性關系，通過測量兩個熒光強度峰值之間的微波頻率差就可以得到外加磁場的磁場強度，外加磁場強度由多孔磁性pdms薄膜感受外界溫度后提供。
激光器發出532nm激光，具體溫度讀取方法如下：
功率穩定的激光透過物鏡照射在金剛石的nv色心上，引起nv色心中的nv—從基態躍遷，自旋態極化到明亮的ms=0態，而此時加上從2.8ghz-2.95ghz的掃描微波，使nv—發生自旋共振，自旋能級ms=|0>→ms=|±1>躍遷時，布局數在兩個能級之間重新分配，熒光計數下降。在連接光電探測器的示波器上可以看到一條橫坐標為掃頻微波頻率、縱坐標為輻射熒光的強度的一條曲線，稱之為光探測磁共振譜（odmr），在nv色心附近加上磁場后，引發nv色心的零場分裂，在微波的兩個點上可以看到熒光強度有明顯的衰減。odmr譜的兩個波谷之間的距離可以直觀的顯示出磁場強度的變化，在實際使用中，對不同溫度情況的odmr譜的波谷距離進行測量標定，在實際使用中可根據odmr譜的波谷距離可以得到當前環境下的溫度情況。
附圖說明
圖1表示本發明的原理圖。
圖中：1-激光器，2-微帶天線陣列，3-多孔磁性pdms薄膜，4-金剛石nv色心波導，5-物鏡，6-分光鏡，7-長波通濾波片，8-光電二極管。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施例進行詳細說明。
一種固態原子自旋傳感器無磁溫控系統，包括金剛石襯底，所述金剛石襯底上加工有金剛石nv色心波導4，所述金剛石襯底上設有覆蓋金剛石nv色心波導4的多孔磁性pdms薄膜3，所述金剛石襯底下表面兩側加工有微帶天線陣列2，所述微帶天線陣列2連接有微波源；所述金剛石襯底下方設有物鏡5，所述物鏡5下方設有分光鏡6，所述分光鏡6下方設有長波通濾波片7，所述長波通濾波片7下方設有光電二極管8；所述分光鏡6接收來自于激光器1發出的脈沖激光通過物鏡5射向金剛石上的氮空位色心波導4。
激光器1發出脈沖激光通過分光鏡6射向金剛石上的氮空位色心上，由于溫度不同，多孔磁性pdms薄膜的膨脹率不同，進而磁場強度不同，微帶天線陣列2通過微波源產生的微波使金剛石nv色心感受到多孔磁性pdms薄膜3的磁場變化發出不同的熒光，通過分光鏡和長波通濾波片將收激發產生的熒光送入光電二極管8，光電二極管8收集經過長波通濾波片濾光的熒光信號。
其中，多孔磁性pdms薄膜3是均勻混合了fe3o4的多孔pdms薄膜。具體制備方法如下：
（1）將pdms與固化劑通過機械方式按10：1的比例混合，并用攪拌棒攪拌，等到細小泡沫均勻分布在pdms與固化劑混合液的每一部分時停止，然后在真空箱中抽真空至1×10-3tor后放置1小時以上除去原先液體中大量存在的細小泡沫，得到均勻無氣體存在的純凈膠狀pdms-固化劑混合材料；
（2）、將fe3o4納米顆粒與膠狀pdms-固化劑混合材料按照所需的比例（一般情況下，fe3o4和膠狀pdms-固化劑混合材料的質量比例為1：4）進行均勻混合，并再進行真空處理；
（3）、將pdms膜在60℃，20mpa的co2高壓釜中放置2h，在恒定壓力的情況下將高壓釜在冰水浴中冷卻到0℃，然后以0.5mpa/min的速率卸壓至常壓，獲得多孔磁性pdms薄膜。
本實施例溫度傳感器首先采用微納米制造工藝在金剛石表面加工制造了高濃度色心波導結構，通過兼容工藝共面集成微波天線陣列，研制芯片級金剛石色心溫度傳感器，具體制備方案如下：
1、采用mems加工工藝，制備金剛石色心波導
1.1、采用mpcvd外延工藝和電子束輻射技術，在高溫退火后在襯底上形成高質量的nv色心薄膜層，具體流程如下：
1.1.1、高濃度金剛石色心制備工藝：利用微波化學氣相沉積（mpcvd）技術制備濃度高于1018cm-1的金剛石色心；即采用高純化n2氣源（99.99%）和高內壁清潔凈度氣管，氣源入腔口采用12500目過濾網進行微塵，凈化氣體；在超高真空（10-7torr）下采用高壓微波等離子化ch4、h2、n2三種氣體，激發出c、n原子，利用原子磁矩相互作用效應，采用磁、電約束方法，精確操控c、n原子比例，實現超高均勻性的濃度高于1018cm-1的氮元素可控制造高濃度金剛石色心。
1.1.2、nv色心活化工藝：采用高能10mev電子束輻射對金剛石襯底進行5小時輻照，進行原位電子與晶格中的碳元素碰撞，產生空位；在超高真空環境下，快速退火驅使碳元素向表面移動，消除晶格畸變和殘余應力，然后在真空下850℃高溫下退火2h，使空位發生遷移，并捕獲電子，形成nv色心薄膜層。
1.2、采用多次拋光技術對金剛石襯底的上下表面進行拋光。
1.3、在金剛石襯底上表面外延生長一層氧化硅掩膜層200nm。
1.4、采用光刻和刻蝕技術，圖像化轉移制備出金剛石nv色心波導圖像結構。
1.5、采用干法刻蝕技術進行金剛石體結構刻蝕，在金剛石襯底中部形成金剛石nv色心波導。
2、制備多孔磁性pdms薄膜，將多孔磁性pdms薄膜復合在金剛石襯底上，并覆蓋金剛石nv色心波導。
3、芯片級平面集成與制造
在加工的金剛石襯底下表面進行微波天線陣列集成加工，具體步驟如下：
1）、采用電子束蒸發技術，在加工好的金剛石襯底上制備一層800~850nm的ti/pt/au，其中ti厚度為100nm~200nm，pt厚度約為50nm~100nm，au厚度為300nm~600nm；
2）、采用ibe刻蝕技術，刻蝕出微帶天線陣列結構，微帶天線長250微米，寬和高為40微米。
本發明利用mpcvd磁、電約束方法制備了濃度大于1018cm-1的氮元素摻雜金剛石結構，利用微納加工工藝方法制備了金剛石色心結構，實現了nv色心結構的激發和熒光收集，同時結合電子束加工方法實現了微波天線的共面制造，并通過時序操控方法進行磁場變化信號高信噪比檢測，實現溫度調制磁場作用，進行磁噪聲有效抑制，達到無磁溫控目的。
以上僅為本發明的具體實施例，但并不局限于此。任何以本發明為基礎解決基本相同的技術問題，或實現基本相同的技術效果，所作出地簡單變化、等同替換或者修飾等，均屬于本發明的保護范圍內。