申圓圓 王博 柯冬倩 鄭斗斗 李中豪 溫?zé)w 郭浩 李鑫 唐軍 馬宗敏? 李艷君伊戈爾?費拉基米羅維奇?雅明斯基 劉俊?

1) (中北大學(xué),省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

2) (中北大學(xué)半導(dǎo)體與物理學(xué)院,太原 030051)

3) (中北大學(xué),量子傳感與精密測量山西省重點實驗室,太原 030051)

4) (太原工業(yè)學(xué)院電子工程系,太原 030008)

5) (日本大阪大學(xué),工學(xué)研究科精密科學(xué)應(yīng)用物理學(xué),大阪 5 650871)

6) (俄羅斯國立莫斯科大學(xué)先進技術(shù)中心,莫斯科 119311)

高分辨率寬頻譜測量技術(shù)在天文學(xué)、無線通信、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值.金剛石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心因其高穩(wěn)定性、高靈敏度、實時監(jiān)測、單點探測以及適用于長時間測量等特性已成為頻譜分析儀備受關(guān)注的選擇.目前,基于NV 色心作為探測器的寬頻譜分析儀能夠在幾十GHz 頻帶內(nèi)進行實時頻譜分析,然而其頻率分辨率僅達到MHz 水平.本文通過搭建結(jié)合連續(xù)外差技術(shù)的量子金剛石微波頻譜成像系統(tǒng),利用磁場梯度對NV 色心諧振頻率進行空間編碼,成功獲取了900 MHz—6.0 GHz 范圍內(nèi)完整的頻譜數(shù)據(jù).在可測頻譜范圍內(nèi),系統(tǒng)進一步采用連續(xù)外差的方法,同時施加諧振微波和輕微失諧的輔助微波對NV 色心進行有效激發(fā),增強了NV 磁強計對微弱微波信號的響應(yīng).該方法使系統(tǒng)在可測頻譜范圍內(nèi)實現(xiàn)了1 Hz 的頻率分辨率,并能夠?qū)﹂g隔為1 MHz 掃頻步進的多個頻點的頻率分辨率進行單獨測量.以上研究結(jié)果表明基于NV 色心的寬頻譜測量可實現(xiàn)Hz 級頻率分辨,為未來的頻譜分析和應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持.

1 引言

目前,在微波(microwave,MW)探測領(lǐng)域,對頻譜分辨率的研究已經(jīng)取得了重要成果,并且這些成果在天文學(xué)[1]、無線通信[2]以及醫(yī)學(xué)成像[3]等多個現(xiàn)代應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛前景.過去幾十年中,多種量子傳感器技術(shù)已經(jīng)取得顯著進展,包括頻譜分析儀[4]、超導(dǎo)量子比特、量子糾纏傳感器[5]以及金剛石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心傳感器[6].其中,NV 色心傳感器因其在常溫和室溫條件下可操作[7]、對微波探測表現(xiàn)出高度靈敏性[8]、能夠在微小體積內(nèi)實現(xiàn)單點探測[9]、具備實時監(jiān)測微波場變化的能力以及可持續(xù)監(jiān)測微波信號等特性,從而成為構(gòu)建高分辨率微波頻譜測量的極具吸引力的技術(shù)[10].

近年來,Chipaux 等[11]詳細地研究了利用NV色心自旋相關(guān)光學(xué)特性進行微波信號頻譜分析的原理.然而,由于磁場梯度振幅和可用NV 色心數(shù)量等因素的限制,該方法僅能夠?qū)崟r分析600 MHz頻帶內(nèi)的信號,并且其頻率分辨率僅為7 MHz.隨后,Ludovic 和Thierry[12]以及Magaletti 等[13]通過對實驗平臺架構(gòu)進行精細優(yōu)化,成功實現(xiàn)了對數(shù)百mT 強磁場的精準(zhǔn)控制,并將其與NV 色心的晶格軸對準(zhǔn).他們進一步實現(xiàn)了對頻率高達幾十GHz 微波信號的實時分析,然而,其系統(tǒng)頻率分辨率僅達到1 MHz 水平.為了提高頻率分辨率,Meinel 等[14]提出了一種外差檢測微波的方法,該方法利用調(diào)制場、脈沖Mollow 吸收和Floquet 動力學(xué),以精確控制微波場與雙能級系統(tǒng)的相互作用,最終實現(xiàn)了低于1 Hz 的頻率分辨率.然而,這一方案依賴于復(fù)雜的脈沖控制技術(shù),對實驗條件和系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了高要求.為了克服這些挑戰(zhàn),Wang 等[15]提出了一種連續(xù)外差檢測方案,無需復(fù)雜脈沖控制,可實現(xiàn)0.1 mHz 的頻率分辨率,然而,這種方法僅對頻率為2.90 GHz 的微波信號進行了頻率分辨率測量.因此,目前對于采用連續(xù)外差技術(shù)對NV 色心進行微波寬頻譜分辨率測量的有效性進行系統(tǒng)性研究的文獻報道相對較少,亟需對其展開深入的系統(tǒng)性研究.

基于以上研究背景,本文提出了一種采用連續(xù)外差對寬頻譜分析的方法.該方法利用金剛石NV 色心的自旋相關(guān)性質(zhì),并通過外部靜態(tài)磁場梯度對NV 色心的共振頻率進行空間編碼.通過使用CMOS 相機采集圖像并經(jīng)過算法處理,成功地在頻率范圍為900 MHz—6.0 GHz 之間獲取了完整的頻譜數(shù)據(jù).隨后,通過采用連續(xù)外差技術(shù),同時施加諧振微波和輕微失諧的輔助微波對NV 色心進行激發(fā),在可測頻譜范圍內(nèi)實現(xiàn)了1 Hz 的頻率分辨,并且能夠在該頻譜范圍內(nèi)對間隔為1 MHz掃頻步進的多個頻率點的頻率分辨率進行單獨測量.基于該技術(shù)顯著提高了寬頻譜的頻率分辨率,這一研究成果為更準(zhǔn)確的頻域信息獲取提供重要的支持,進一步推動相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用發(fā)展.

2 實驗原理和裝置

2.1 實驗原理

NV 色心是金剛石中的一種晶格缺陷,由一個替代碳原子的氮原子和一個鄰近的空位組成[16].如圖1(a)所示,NV 色心的基態(tài)是一個自旋三重態(tài),在單重態(tài)ms=|0〉與雙重態(tài)ms=|±1〉之間具有D=2.87 GHz 的零場分裂[17,18].激發(fā)態(tài)3E的零場劈裂為1.41 GHz[19],同樣為自旋三重態(tài).其中ms表示沿著NV 的本征量子化軸的自旋投影.NV 色心可以被532 nm 的激光連續(xù)從3A2激發(fā)到激發(fā)態(tài)3E,然后退激發(fā)回到3A2態(tài)并發(fā)出熒光.處于激發(fā)態(tài)3E 的NV 色心有兩條主要的退激發(fā)途徑,其中之一是發(fā)射熒光回到基態(tài),另一條途徑是通過ISC(intersystem crossing)機制,經(jīng)由單態(tài)1A1和1E回到基態(tài),這一個過程不輻射熒光.在光照條件下,由于自旋選擇性的系統(tǒng)間交叉,NV 缺陷被有效地極化到ms=|±1〉和ms=|0〉態(tài).通常處于ms=|0〉態(tài)的NV 色心被激發(fā)后,其退激發(fā)所產(chǎn)生熒光光子的概率更大.此外,由于系統(tǒng)間交叉躍遷是非輻射的,當(dāng)ms=|0〉態(tài)被填充時,NV 缺陷的光致發(fā)光明顯增強,從而能夠通過光學(xué)檢測實現(xiàn)對光探測磁共振(optically detected magnetic resonance,ODMR)的探測[20,21].

圖1 NV 色心頻譜分析 (a) NV 色心能級圖;(b) 沿D 軸向金剛石晶體施加磁場梯度;(c) 在金剛石晶體表面不同位置,磁場梯度引起塞曼效應(yīng)導(dǎo)致相應(yīng)的ODMR 信號產(chǎn)生;(d) 使用相機對圖像進行采集并將其保存為三維數(shù)據(jù);(e) 利用算法擬合將圖像存儲格式從三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槎S數(shù)據(jù),在整個磁梯度范圍內(nèi),通過拼接圖像來生成對應(yīng)的頻譜圖像;(f) 測量可測頻譜范圍內(nèi)的任意頻點的頻率分辨率Fig.1.NV center spectral analysis: (a) Energy level diagram of the NV center;(b) application of a magnetic field gradient along the D-axis of the diamond crystal;(c) magnetic field gradient induces the Zeeman effect at different positions on the surface of the diamond crystal,resulting in corresponding ODMR signals;(d) acquisition of images using a camera and conversion into three-dimensional data;(e) utilization of an algorithm for fitting,transforming the image storage format from three-dimensional data to two-dimensional data,and generating the corresponding spectral images across the entire magnetic gradient range;(f) measurement of frequency resolution at arbitrary frequency points within the measurable spectral range.

基于NV 色心的頻譜分析儀的原理依賴于利用磁場梯度對NV 色心諧振頻率進行空間編碼.如圖1(b)所示,通過使用光學(xué)泵浦方法,將532 nm綠色激光照射在金剛石NV 色心上,并利用球形磁鐵(supermagnet K-13-C)沿金剛石晶體一個方向施加已知的磁場梯度.通過調(diào)節(jié)磁場梯度的大小和方向,可以實現(xiàn)對NV 色心共振頻率的空間編碼.如圖1(c)所示,在金剛石表面的不同位置,磁場梯度引起塞曼效應(yīng)導(dǎo)致相應(yīng)的ODMR 信號產(chǎn)生.待測的微波信號通過天線傳輸至經(jīng)激光激發(fā)的金剛石區(qū)域,同時使用相機捕捉NV 色心發(fā)出的熒光信號.如圖1(d)所示,相機所捕獲的圖像中,特定區(qū)域有熒光強度明顯降低的現(xiàn)象,這表明該區(qū)域存在與NV 色心共振特性相匹配的微波信號的光譜分量.在圖像采集過程中,需要確保避免圖像過曝光的情況發(fā)生.通過精確的編程控制,該系統(tǒng)實現(xiàn)了微波源和相機的同步操作.采集得到的圖像數(shù)據(jù)以三維矩陣{X,Y,F}的形式存儲,其中X和Y分別代表單個圖像的行和列像素數(shù)量,F表示每張圖像對應(yīng)的不同頻率點.隨后,對圖像中每個像素關(guān)于F維度的信息進行了Lorentzian 函數(shù)的擬合.所使用的擬合函數(shù)如(1)式所示:

其中A是峰值的振幅(通常為1),C是對比度,f0是共振頻率,w是線寬.通過擬合過程記錄每個像素對應(yīng)的諧振頻率f0.隨后,將每個圖像(1008 像素×64 像素)的數(shù)據(jù)合并為一行(1008 像素×1 像素),以提高信噪比并改善擬合精度,從而提高數(shù)據(jù)采集的精確度,實驗中使用的相機像素尺寸為3.45 μm×3.45 μm.因此,如圖1(e)所示,圖像數(shù)據(jù)的存儲格式從三維矩陣轉(zhuǎn)變?yōu)槎S矩陣.在整個磁梯度范圍內(nèi),可以通過對圖像進行簡單地拼接,從而生成對應(yīng)的頻譜圖像.

在高頻率微波信號測量過程中,通常要求使用高功率的微波輻射源.然而,這一操作通常會導(dǎo)致ODMR 線寬的展寬,進而降低了寬頻譜微波測量的頻率分辨率.本文探討了一種通過微調(diào)輔助微波信號的頻率,以引入頻率差(δ)的方法來克服這一問題.在一般情況下,將NV 色心視為二能級系統(tǒng),其中微波信號MW1(a1cosωt)與狀態(tài) |0〉→ |1〉的諧振轉(zhuǎn)換頻率相對應(yīng).當(dāng)MW1足夠強時則會發(fā)生拉比振蕩.然而,當(dāng)拉比頻率小于非均勻躍遷線寬時,共振吸收效率變得低效,甚至失去對微波場a1的一階響應(yīng).在這種情況下,NV 磁強計從場檢測(∝a1)降級為能量檢測(∝).隨著MW1的減小,振蕩減慢最終指數(shù)衰減.這一現(xiàn)象表明激光誘導(dǎo)的極化過程與微波誘導(dǎo)的自發(fā)弛豫之間存在競爭,導(dǎo)致了自旋態(tài)的平衡.進一步研究表明,通過同時施加兩路微波信號,即諧振微波MW1(a1cosωt)與輕微失諧的輔助微波MW2(A1cos[(ω+δ)t+φ])對NV 色心進行激發(fā),將引發(fā)微波干擾效應(yīng).這種微波干擾破壞了激光誘導(dǎo)的極化與微波誘導(dǎo)的自發(fā)弛豫之間的競爭平衡態(tài).因此,微波干擾導(dǎo)致熒光強度出現(xiàn)衰減和振蕩[15].具體而言,微波干擾引發(fā)了熒光信號相位和幅度的變化,進而導(dǎo)致交流熒光信號的生成.如圖1(f)所示,在連續(xù)激光照射金剛石NV 色心的情況下,施加單路微波NV色心熒光值降到最低,當(dāng)關(guān)閉微波之后,NV 色心熒光值緩慢恢復(fù)到初始值.同時施加兩路微波,產(chǎn)生了交流熒光信號,交流熒光信號頻率為兩個頻率的差值,振幅∝A1a1,證明了對微波信號MW1的響應(yīng)振幅被放大了約A1/a1倍,這種熒光信號的振蕩現(xiàn)象源于諧振微波信號與輕微失諧的輔助微波信號之間的相互干擾.然而,熒光響應(yīng)微波場的變化速度受到一定的限制,而時域內(nèi)有限的響應(yīng)速度對應(yīng)于頻域內(nèi)的有限帶寬.

2.2 實驗裝置

實驗系統(tǒng)示意圖如圖2 所示,由光路系統(tǒng)、微波系統(tǒng)、磁場系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成.實驗系統(tǒng)的核心組件是尺寸為3.5 mm×3.5 mm × 0.2 mm (110) 的單晶CVD (chemical vapor deposition)金剛石樣品,經(jīng)過高溫高壓工藝制備而得.該樣品的初始氮濃度小于1×10–4,在(10 ± 0.5) MeV 電子輻照下處理4 h 后,經(jīng)過600 ℃高溫真空退火1 h,隨后進行30 min 保溫,最后升溫至800 ℃進行4 h 真空退火以完成制備.在實驗中,光路系統(tǒng)將激光器產(chǎn)生的532 nm 連續(xù)激光對金剛石NV 色心進行光學(xué)激發(fā).為了確保激光準(zhǔn)確照射到金剛石晶體內(nèi)部,采用了一組透鏡來形成平行光,對激光光束有效聚焦.隨后,使用10 倍顯微物鏡來采集金剛石NV 色心發(fā)出的紅色熒光信號,并利用濾波片進行光譜濾波,最后,在CMOS相機前端安裝鏡頭,借助其將收集到的熒光信號聚焦在CMOS 相機上進行采集.在此過程中,該系統(tǒng)使用的激光器光功率約為200 mW,用于形成平行光的一組透鏡焦距分別為100 mm 與50 mm,鏡頭焦距為75 mm.

圖2 實驗裝置系統(tǒng)Fig.2.Experimental Setup System.

微波掃頻頻率以及輕微失諧的輔助微波由微波源連接至直徑為2 mm 的環(huán)形天線,以產(chǎn)生均勻的微波場.可施加頻率范圍為9 kHz—6 GHz,掃頻微波步進為1 MHz.磁場由直徑為13 mm 的球形磁鐵提供,該磁鐵具備在1 T 范圍內(nèi)提供磁場的能力.在實驗中,為了實現(xiàn)幾GHz 級的塞曼位移,需確保金剛石NV 軸與磁場方向嚴格對齊.因此,將CVD 金剛石樣品安裝在三軸位移臺上,以使其頂面與 (110) 晶面平行.同時,球形磁鐵被安裝在另一個獨立的三軸位移平臺上,以便于對金剛石NV軸與磁場的對齊進行精確調(diào)整.

同步控制系統(tǒng)通過控制微波源掃頻步進與相機曝光和圖像儲存時間根據(jù)序列進行循環(huán)同步,為了確保圖像的準(zhǔn)確采集,單組數(shù)據(jù)進行了200 次測量平均.在采用連續(xù)外差方法對微波頻譜的頻率分辨率進行測量時,同步控制系統(tǒng)通過同時調(diào)控兩臺微波源施加諧振微波和輕微失諧的輔助微波對NV 色心進行有效激發(fā).數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將相機保存的圖片數(shù)據(jù)根據(jù)采集時間逐張?zhí)崛〔⒈４鏋橐粋€三維矩陣,通過MATLAB 算法,利用Lorentzian函數(shù)的擬合將圖像數(shù)據(jù)的存儲格式從三維矩陣轉(zhuǎn)變?yōu)槎S矩陣,從而生成微波頻譜圖像.

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 NV 晶軸與磁場矢量方向的關(guān)系

在進行微波頻譜測量時,需通過已知磁場信息計算得到待測微波的頻率范圍.當(dāng)磁場沿著NV 軸施加時,NV 色心的諧振頻率可由(2)式計算得到:

其中D≈ 2.87 GHz 是NV 色心電子自旋的零場劈裂值,γ=28 GHz/T 是電子自旋旋磁比,BNV是平行于NV 軸的磁場分量.

在實驗過程中,通過將磁鐵與金剛石晶體保持約1 cm 的距離.如圖3(a)所示,當(dāng)磁場方向與金剛石中4 個NV 軸未完全對準(zhǔn)時,可以觀察到4 對ODMR 譜線,每對譜線對應(yīng)于金剛石晶體內(nèi)不同可能軸向的NV 色心.近似平行于磁場方向的NV 軸上具有最強的塞曼位移,然而,由于這一NV軸未完全與磁場方向?qū)?zhǔn),其他3 個NV 軸在這一特定軸向上具有略微不同的磁場投影和塞曼位移.為了實現(xiàn)磁場方向與NV 軸對齊,需要對磁鐵和金剛石晶體之間的相對取向進行調(diào)整.如圖3(b)所示,可以觀察到有2 對ODMR 譜線.鑒于存在多種可能讓ODMR 呈現(xiàn)為2 組峰,因此需要通過對ODMR 譜峰位置反解來確定磁場方向是否與NV 軸對齊.完成磁場與NV 軸的精確對準(zhǔn)后,可以提高測得的ODMR 譜的信號強度.

圖3 調(diào)整磁場與NV 軸對準(zhǔn)的過程 (a) ODMR 成像呈現(xiàn)了四組譜線,對應(yīng)于磁場方向與NV 色心的4 個軸向均未對齊;(b) ODMR 成像顯示了兩組譜線,其中三組譜線重疊,對應(yīng)于磁場與某一NV 軸對齊Fig.3.Process to align magnetic field and NV centers: (a) ODMR imaging presents four sets of spectra,corresponding to a misalignment of the magnetic field with all four axial directions of the NV centers;(b) ODMR imaging displays two sets of spectra,with three of them overlapping,indicating alignment of the magnetic field with a specific NV axis.

3.2 寬頻譜微波測量

在本實驗中,首要步驟是確保磁場方向與NV軸的精確對準(zhǔn),隨后,通過調(diào)整磁鐵與金剛石之間的距離,實現(xiàn)對金剛石表面磁場梯度的精細調(diào)控.為了實施這一操作,采用了攜帶磁鐵的三軸位移臺對其進行微調(diào).在逐漸調(diào)整磁場的過程中,進行了一系列ODMR 成像實驗,用于對磁鐵距離金剛石的不同位置進行觀測,從而逐步建立了磁場梯度的分布情況.如圖4 所示,通過位移臺對磁鐵進行移動,將其精確地定位于距離金剛石不同的四個位置,然后進行微波頻譜測量.通過將這4 個不同位置測得的實時微波頻譜簡單拼接,成功獲取了3.50—6.00 GHz 的寬頻譜數(shù)據(jù).在這種情況下,磁場梯度最大值接近10.5 T/m,且頻帶寬度達到1 GHz.該系統(tǒng)允許在900 MHz—6.0 GHz 的頻率范圍內(nèi)進行掃描,以實時監(jiān)測電子自旋共振過渡從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的變化.

圖4 疊加磁鐵在不同位置相對應(yīng)的微波頻譜圖像Fig.4.Overlay microwave spectroscopy images corresponding to magnets positioned at different locations.

3.3 寬頻譜下頻率分辨率的測量結(jié)果

該系統(tǒng)的頻率分辨率與NV 色心的共振線寬密切相關(guān),其主要受到以下因素的影響: 金剛石NV色心的零場ODMR 譜線寬、微波功率引起的功率展寬效應(yīng)以及磁場梯度導(dǎo)致的不均勻展寬.如圖5(a)所示,在實驗中使用的CVD 金剛石樣品的NV 色心的零場ODMR 譜線寬約為7.8 MHz.這表明金剛石樣品本身較大的零場ODMR 譜線寬對系統(tǒng)的頻率分辨率測量產(chǎn)生了顯著的影響.在圖5(a)中,測得的NV 色心的零場ODMR 譜線中心頻率為2.83 GHz,與理論值2.87 GHz 存在一定差異.這主要是由于實驗環(huán)境中的溫度變化、局域電磁場波動,以及金剛石NV 色心的電子能級結(jié)構(gòu)受到晶格缺陷和雜質(zhì)的影響,共同導(dǎo)致了實驗測量誤差.另一個導(dǎo)致共振線寬展寬的因素如圖5(b)所示,通過位移臺移動磁鐵,在確保磁場方向與NV 軸精準(zhǔn)對齊的情況下,施加約60 G (1 G=10–4T)的磁場,從而在3.02 GHz 處測得最大諧振頻率點.在保持激光功率恒定為200 mW 的條件下,逐漸增加在3.02 GHz 處施加的微波功率,從–30 dBm逐漸增大到30 dBm.實驗過程中可觀察到ODMR的線寬也相應(yīng)增加.這限制了系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的最佳頻率分辨率.由于本系統(tǒng)在進行高頻率微波測量時采用球形磁鐵施加磁場梯度,并施加了30 dBm 的微波功率,高微波功率和磁場梯度的使用限制了系統(tǒng)對微波的實時檢測能力,進而導(dǎo)致了頻率分辨率的降低.

圖5 NV 色心共振線寬不均勻展寬原因 (a) NV 色心零場ODMR 譜;(b) 在3.02 GHz 處不同微波功率下的ODMR 的單峰曲線Fig.5.Causes of non-uniform broadening of NV center resonance linewidth: (a) Zero-field ODMR spectrum of NV centers;(b) single-peak curves of ODMR at 3.02 GHz under different microwave powers.

為提高系統(tǒng)的頻率分辨率,本文采用了連續(xù)外差的實驗方法.在可測量頻譜范圍內(nèi),通過兩臺微波源同時施加諧振微波和輕微失諧的輔助微波對NV 色心進行有效激發(fā),從而實現(xiàn)對微弱微波信號的檢測.該方法通過在可測頻譜范圍內(nèi)選取任一諧振頻點f1,其中一臺微波源固定在頻率f1,而另一臺微波源被固定在頻率f1+?f,用于產(chǎn)生微波干擾.這種干擾破壞了激光誘導(dǎo)的極化與微波誘導(dǎo)的自發(fā)弛豫之間的競爭平衡態(tài),導(dǎo)致熒光信號出現(xiàn)振蕩.如圖6(a)所示,在可測頻譜范圍3.50—3.80 GHz內(nèi),通過設(shè)置一臺微波源的頻率為3.50 GHz,用于施加諧振微波.同時,另一臺微波源在諧振頻率點3.50 GHz 的基礎(chǔ)上分別增加1000,100,10,5,1,0.1 Hz,用于施加輕微失諧的輔助微波.在實驗過程中,通過編程控制兩臺微波源同時作用,可以觀察到該系統(tǒng)通過將總測量時間t延長到1 s,從而將頻率分辨率提高到了1 Hz.通過對實驗數(shù)據(jù)進行傅里葉變換,如圖6(b)所示,從頻域角度可以直觀地觀察到系統(tǒng)在3.50 GHz 諧振頻點頻率分辨率達到1 Hz.

圖6 頻率分辨率測量結(jié)果 (a) 在可測頻譜范圍內(nèi)選取與3.50 GHz 頻率差為1000,100,100,5,1,0.1 Hz 的頻率點的外差實驗時域測量結(jié)果;(b) 在可測頻譜范圍內(nèi)選取與3.50 GHz 頻率差為1000,100,100,5,1,0.1 Hz 的頻率點的外差實驗頻域測量結(jié)果;(c) 在可測頻譜范圍內(nèi)多個諧振頻率點的頻率分辨率測量結(jié)果Fig.6.Frequency resolution measurement results: (a) Time-domain measurement results of heterodyne experiments at frequency differences of 1000,100,100,5,1,0.1 Hz relative to 3.50 GHz within the measurable spectral range;(b) frequency-domain measurement results of heterodyne experiments at frequency differences of 1000,100,100,5,1,0.1 Hz relative to 3.50 GHz within the measurable spectral range;(c) frequency resolution measurement results of multiple resonant frequency points within the measurable spectral range.

隨后,如圖6(c)所示,在3.50—3.80 GHz 頻譜范圍內(nèi)選取間隔為1 MHz 掃頻步進的6 個不同的諧振頻點,分別為3.50,3.501,3.502,3.503,3.505,3.506 GHz,并對其頻率分辨率進行測量.首先,利用一臺微波源將其頻率設(shè)置為3.50 GHz,對應(yīng)于諧振頻率點.同時,另一臺微波源用于施加輕微失諧的輔助微波信號,其頻率設(shè)定在3.500000001 GHz,這種微小的頻率變化是為了引入微弱的頻率差.通過精確的編程控制,在1 s 的時間內(nèi),同時啟用這兩臺微波源作用于金剛石樣品,在第1 個2 s 的作用周期內(nèi),僅在3.50 GHz 的頻點處引入微波干擾,導(dǎo)致熒光信號的振蕩,而其他頻點熒光信號保持不變.第1 個2 s 作用周期結(jié)束后,通過編程控制,兩臺微波源頻率分別躍升至3.501 GHz 與3.501000001 GHz,在 第2 個2 s 作用周期內(nèi),僅在3.501 GHz 頻點處觀察到熒光信號產(chǎn)生振蕩,而其他頻點處的熒光信號沒變.然后,在第2 個2 s 作用周期結(jié)束后,它們的頻率再次躍遷至下一個預(yù)設(shè)的諧振頻點,繼續(xù)進行各個頻點的頻率分辨率測量,按照特定順序測量各個頻點的頻率分辨率.因此,可見該系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了對可測頻譜范圍內(nèi)多個頻點的頻率分辨率的獨立測量.

通過采用上述實驗方案引入輕微失諧的輔助微波,使得該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最小頻率分辨率1 Hz,同時具備對可測頻譜范圍內(nèi)間隔為1 MHz 掃頻步進的諧振頻點的頻率分辨率進行單獨檢測和區(qū)分的能力.這一方案成功地解決了由于高功率微波和磁場梯度使用所導(dǎo)致的頻率分辨率下降的問題,同時提高了對微波信號的實時檢測能力.

4 結(jié)論

本文通過搭建結(jié)合連續(xù)外差技術(shù)的量子金剛石微波頻譜成像系統(tǒng),利用連續(xù)光探測磁共振的NV 色心傳感技術(shù)驗證外差技術(shù)對微波寬頻譜頻率分辨率的有效性.首先,利用已知磁場梯度對NV色心諧振頻率進行空間編碼,從而實現(xiàn)對寬頻譜微波信號的測量和頻譜分辨率分析.通過精確控制磁場方向與金剛石NV 軸對準(zhǔn),并利用位移臺調(diào)整磁鐵與金剛石的距離控制磁場梯度.在逐漸調(diào)整磁場的過程中,對磁鐵距離金剛石的不同位置進行觀測,并進行一系列ODMR 成像實驗,從而逐步建立了磁場梯度的分布情況,最終成功獲取了900 MHz—6.0 GHz 范圍內(nèi)完整的頻譜數(shù)據(jù).隨后,采用連續(xù)外差的實驗方案,通過調(diào)控兩臺微波源同時施加諧振微波和輕微失諧的輔助微波對微弱微波信號進行檢測.該方案實現(xiàn)了在可測頻譜范圍內(nèi)1 Hz 的頻率分辨率,并具備對可測頻譜范圍內(nèi)間隔為1 MHz 掃頻步進的多個諧振頻點的頻率分辨率進行單獨檢測和區(qū)分的能力.為了進一步提升系統(tǒng)性能,可以采取一系列改進措施,以優(yōu)化微波頻譜分析的性能.這些改進措施包括增加探測器內(nèi)存深度、提高光學(xué)收集效率、設(shè)計可調(diào)節(jié)的磁場結(jié)構(gòu),以及優(yōu)化金剛石樣品等方法,例如增加NV 色心的濃度和使用取向性NV 色心晶體等.以上研究結(jié)果表明連續(xù)外差技術(shù)對微波寬頻譜頻率分辨率提升的有效性,并為微波頻譜分析領(lǐng)域進一步研究提供了技術(shù)支持.