激光与微波功率对金刚石NV色心磁强计ESR谱线的影响研究
2021-12-09高扬徐超群黄魁高羽婷刘超波武南开刘明君张超肖琦易忠
高扬， 徐超群， 黄魁， 高羽婷， 刘超波，武南开， 刘明君， 张超， 肖琦， 易忠
(1. 北京卫星环境工程研究所，北京市 100094; 2. 中国空间技术研究院，北京市 100029)
磁技术被广泛应用在现代生活的各个方面，这使得磁场测量在基础科学和应用科学中扮演及其重要的角色[1-2]. 在磁场测量领域，人们发明了磁通门磁强计、光泵磁力仪、超导量子干涉仪(SQUID)、磁共振力显微镜等仪器. 金刚石氮空穴(nitrogen-vacancy，NV)色心具有无荧光闪烁、无荧光漂白、室温下工作、物态稳定等优异特性，这使得金刚石NV色心在固态电子自旋磁场传感技术中被特别关注[3]. 基于金刚石NV色心的磁强计具备灵敏度高、空间分辨率高、可在室温条件下工作等优异性能，在物理学、材料学、生物学等领域被广泛应用[4].
针对不同磁场信号，金刚石NV色心磁强计采用不同的测量脉冲，对于直流、低频磁场， 简便易用的连续波光探测磁共振(continuous-wave optically detected magnetic resonance，CW-ODMR)测量脉冲被广泛应用[5]. 使用CW-ODMR测量脉冲的磁强计灵敏度主要受到微波功率和激光功率影响，本文首先从理论出发分析激光功率、微波功率与灵敏度的关系，采用共聚焦激光激发和荧光收集搭建了一套磁强计系统，验证了微波和激光对灵敏度的影响. 根据计算结果选取微波功率，观测到谱线半高全宽随激光功率增大而减小的反常现象—光致谱线收窄效应(light narrowing，LN)，进而得到本系统最优激光功率、微波功率参数，并给出了下一步的优化方向.
1 原 理
金刚石具有体心立方晶格结构，NV色心是金刚石的一种点缺陷，由一个N原子和临近晶格的空穴组成，图1(a)展示了一种[111]晶向的NV色心. NV色心具有3种电荷态NV-、NV0和NV+，本文所提到NV色心均指NV-[6]. NV色心电子具有c3ν对称结构，其能级结构如图1( b)所示. 由于自旋投影ms=±1的激发态更倾向于ISC过程退激发到亚稳态，当微波功率和基态能极差共振的时候造成电子自旋共振谱(electron spin-resonance，ESR)荧光发光强度减弱，通过测量微波共振频率即可反推外磁场大小.
如图 2所示，采用CW-ODMR协议，扫描微波频率即可得到NV色心轴向的磁场强度. CW-ODMR测量脉冲灵敏度可以写为[7]
图1 [111]晶向的金刚石NV色心及其能级结构Fig.1 Diamond NV center with [111] crystal orientation and its energy level structure
图2 CW-ODMR测量脉冲及其对应的ESR谱Fig.2 CW-ODMR measurement pulse and its corresponding ESR spectrum
通过解NV色心系综在CW-ODMR下的布鲁赫方程，可以得到微波功率和激光功率对于ESR谱的谱线加宽关系[7-8]
根据本系综的实验条件，设定NV色心拉比频率为1，5和10 MHz，根据公式计算不同激光强度s对应的谱线半高宽Δν，结果如图3所示. 在较低光强下s<10-4，谱线半高宽主要受到微波强度的影响，随着拉比频率的提高谱线半高宽迅速增大. 在0.001
图3 不同拉比频率下，谱线半高宽随激光强度变化Fig.3 FWHM of ESR spectrum varies with the laser intensity at different Rabi frequencies
2 实 验
实验样品为Element Six公司生产[100]晶向金刚石，N浓度为100×10-6，NV浓度为10×10-6. 激光采用532 nm连续激光，功率在10～170 mW可调. 实验原理图4所示，本系统采用共聚焦系综搭建，激光经过二色镜、物镜后聚焦入射到金刚石表面，物镜数值孔径为1.3. 微波源为罗德与施瓦茨公司生产SMC100A型微波源，经过ZHL-16W-43+型放大器放大后输入到PCB微波天线，向金刚石辐射微波. 荧光自金刚石表面发射后，经过物镜、二色镜、透镜、滤片后到达雪崩二极管，通过电脑采集卡采集记录荧光信号.
图4 金刚石NV色心磁强计实验原理图Fig.4 Experimental schematic diagram of diamond NV center magnetometer
采用外加预偏置磁场情况下，可以观测到NV色心ESR谱线的8峰结构，选取其中一个峰分析其谱线半高宽和对比度. 其中，激光电流2.1 A对应10 mW光强，4 A对应180 mW光强，电流和光强成线性关系. 从图5实验结果可看出，现有微波功率下，谱线半高宽主要由微波功率决定，随着激光功率的提高半高宽略有减小，与计算所得低光强结果相吻合. 谱线对比度随着激光功率和微波功率增加而提高，特别是在低于10 mW功率时，激光功率增大会极大提高对比度，对提升灵敏度及其重要.
图5 不同微波强度、激光强度下的谱线对比度、谱线半高宽Fig.5 Contrast and FWHM of ESR spectrum under different microwave and laser intensities
图6 -20 dbm微波源强度下不同激光功率的ESR谱线Fig.6 ESR spectra of different laser powers at -20 dbm microwave source intensity
3 结 论
本文通过搭建一套基于CW-ODMR测量脉冲的共聚焦磁强计系统，研究了微波功率、激光功率与ESR谱线对比度、谱线半高宽的关系. 研究发现，在低光强实验条件下，谱线半高宽主要由微波功率主导，谱线对比度同时受到激光功率和微波功率影响；在-20 dbm微波功率条件下，观测到了极为明显的光致谱线收窄效应. 下一步可以通过提高激光强度，利用光致谱线收窄效应在提高谱线对比度的同时进一步降低谱线半高宽，以进一步提高磁强计灵敏度.
