激光與微波功率對金剛石NV色心磁強計ESR譜線的影響研究

高揚， 徐超群， 黃魁， 高羽婷， 劉超波，武南開， 劉明君， 張超， 肖琦， 易忠

(1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京市 100094; 2. 中國空間技術(shù)研究院，北京市 100029)

磁技術(shù)被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代生活的各個方面，這使得磁場測量在基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)中扮演及其重要的角色[1-2]. 在磁場測量領(lǐng)域，人們發(fā)明了磁通門磁強計、光泵磁力儀、超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)、磁共振力顯微鏡等儀器. 金剛石氮空穴(nitrogen-vacancy，NV)色心具有無熒光閃爍、無熒光漂白、室溫下工作、物態(tài)穩(wěn)定等優(yōu)異特性，這使得金剛石NV色心在固態(tài)電子自旋磁場傳感技術(shù)中被特別關(guān)注[3]. 基于金剛石NV色心的磁強計具備靈敏度高、空間分辨率高、可在室溫條件下工作等優(yōu)異性能，在物理學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[4].

針對不同磁場信號，金剛石NV色心磁強計采用不同的測量脈沖，對于直流、低頻磁場， 簡便易用的連續(xù)波光探測磁共振(continuous-wave optically detected magnetic resonance，CW-ODMR)測量脈沖被廣泛應(yīng)用[5]. 使用CW-ODMR測量脈沖的磁強計靈敏度主要受到微波功率和激光功率影響，本文首先從理論出發(fā)分析激光功率、微波功率與靈敏度的關(guān)系，采用共聚焦激光激發(fā)和熒光收集搭建了一套磁強計系統(tǒng)，驗證了微波和激光對靈敏度的影響. 根據(jù)計算結(jié)果選取微波功率，觀測到譜線半高全寬隨激光功率增大而減小的反?，F(xiàn)象—光致譜線收窄效應(yīng)(light narrowing，LN)，進而得到本系統(tǒng)最優(yōu)激光功率、微波功率參數(shù)，并給出了下一步的優(yōu)化方向.

1 原 理

金剛石具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)，NV色心是金剛石的一種點缺陷，由一個N原子和臨近晶格的空穴組成，圖1(a)展示了一種[111]晶向的NV色心. NV色心具有3種電荷態(tài)NV-、NV0和NV+，本文所提到NV色心均指NV-[6]. NV色心電子具有c3ν對稱結(jié)構(gòu)，其能級結(jié)構(gòu)如圖1( b)所示. 由于自旋投影ms=±1的激發(fā)態(tài)更傾向于ISC過程退激發(fā)到亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)微波功率和基態(tài)能極差共振的時候造成電子自旋共振譜(electron spin-resonance，ESR)熒光發(fā)光強度減弱，通過測量微波共振頻率即可反推外磁場大小.

如圖 2所示，采用CW-ODMR協(xié)議，掃描微波頻率即可得到NV色心軸向的磁場強度. CW-ODMR測量脈沖靈敏度可以寫為[7]

圖1 [111]晶向的金剛石NV色心及其能級結(jié)構(gòu)Fig.1 Diamond NV center with [111] crystal orientation and its energy level structure

圖2 CW-ODMR測量脈沖及其對應(yīng)的ESR譜Fig.2 CW-ODMR measurement pulse and its corresponding ESR spectrum

通過解NV色心系綜在CW-ODMR下的布魯赫方程，可以得到微波功率和激光功率對于ESR譜的譜線加寬關(guān)系[7-8]

根據(jù)本系綜的實驗條件，設(shè)定NV色心拉比頻率為1，5和10 MHz，根據(jù)公式計算不同激光強度s對應(yīng)的譜線半高寬Δν，結(jié)果如圖3所示. 在較低光強下s<10-4，譜線半高寬主要受到微波強度的影響，隨著拉比頻率的提高譜線半高寬迅速增大. 在0.0010.1后，不同拉比頻率的NV色心所對應(yīng)曲線出現(xiàn)明顯差異，1 MHz NV色心的譜線半高寬Δν會隨激光功率增大展寬，而高頻拉比震蕩對應(yīng)的NV色心繼續(xù)存在LN現(xiàn)象，這說明拉比震蕩頻率越高出現(xiàn)LN效應(yīng)需要更強的激光，同時LN效應(yīng)的截至光強也越大.

圖3 不同拉比頻率下，譜線半高寬隨激光強度變化Fig.3 FWHM of ESR spectrum varies with the laser intensity at different Rabi frequencies

2 實 驗

實驗樣品為Element Six公司生產(chǎn)[100]晶向金剛石，N濃度為100×10-6，NV濃度為10×10-6. 激光采用532 nm連續(xù)激光，功率在10～170 mW可調(diào). 實驗原理圖4所示，本系統(tǒng)采用共聚焦系綜搭建，激光經(jīng)過二色鏡、物鏡后聚焦入射到金剛石表面，物鏡數(shù)值孔徑為1.3. 微波源為羅德與施瓦茨公司生產(chǎn)SMC100A型微波源，經(jīng)過ZHL-16W-43+型放大器放大后輸入到PCB微波天線，向金剛石輻射微波. 熒光自金剛石表面發(fā)射后，經(jīng)過物鏡、二色鏡、透鏡、濾片后到達雪崩二極管，通過電腦采集卡采集記錄熒光信號.

圖4 金剛石NV色心磁強計實驗原理圖Fig.4 Experimental schematic diagram of diamond NV center magnetometer

采用外加預(yù)偏置磁場情況下，可以觀測到NV色心ESR譜線的8峰結(jié)構(gòu)，選取其中一個峰分析其譜線半高寬和對比度. 其中，激光電流2.1 A對應(yīng)10 mW光強，4 A對應(yīng)180 mW光強，電流和光強成線性關(guān)系. 從圖5實驗結(jié)果可看出，現(xiàn)有微波功率下，譜線半高寬主要由微波功率決定，隨著激光功率的提高半高寬略有減小，與計算所得低光強結(jié)果相吻合. 譜線對比度隨著激光功率和微波功率增加而提高，特別是在低于10 mW功率時，激光功率增大會極大提高對比度，對提升靈敏度及其重要.

圖5 不同微波強度、激光強度下的譜線對比度、譜線半高寬Fig.5 Contrast and FWHM of ESR spectrum under different microwave and laser intensities

圖6 -20 dbm微波源強度下不同激光功率的ESR譜線Fig.6 ESR spectra of different laser powers at -20 dbm microwave source intensity

3 結(jié) 論

本文通過搭建一套基于CW-ODMR測量脈沖的共聚焦磁強計系統(tǒng)，研究了微波功率、激光功率與ESR譜線對比度、譜線半高寬的關(guān)系. 研究發(fā)現(xiàn)，在低光強實驗條件下，譜線半高寬主要由微波功率主導(dǎo)，譜線對比度同時受到激光功率和微波功率影響；在-20 dbm微波功率條件下，觀測到了極為明顯的光致譜線收窄效應(yīng). 下一步可以通過提高激光強度，利用光致譜線收窄效應(yīng)在提高譜線對比度的同時進一步降低譜線半高寬，以進一步提高磁強計靈敏度.