纳米金刚石色心荧光腔动力学增强效应及其核磁共振陀螺应用研究

As the key component of the inertial navigation system, gyroscope with high sensitivity is extremely important for the long time navigation applications in the fields such as aerospace flight, airplanes, ships and some other equipments. A novel nuclear magnetic resonance (NMR) gyroscope based on nitrogen vacancy (NV) color center in diamond nanoparticles is proposed in this project. The spins in the NV diamond nanoparticles is used as sensing elements. The high density NV center doping and NMR effect excitation method will be researched. Using the micro optical cavity enhanced fluorescence collection method, the fluorescence intensity and the sensitivity of the gyroscope will be improved. The design and fabrication of the micro cavity and integrated gyroscope structure will be extremely important in this project. The taper optical fibers were used for the fluorescence collection after the cavity resonance, and a differential output signal processing method is used to improve the sensitivity. To be different with the traditional optical microscope, this method for the NV fluorescence collection is more suitable for the sensor chip design and integration.

发展新一代的高精度的陀螺仪，满足航空航天与装备技术领域的长航时自主导航应用需求，具有十分重要的战略意义。项目提出一种新型的固态核磁共振陀螺传感检测的新模式，拟以纳米金刚石氮空位（NV）色心自旋为固态核磁共振角速率敏感功能单元，研制一种室温固态核磁共振陀螺；研究高浓度NV色心金刚石纳米颗粒掺杂制造工艺以及高效率的色心光探测磁共振荧光激发方法；采用色心荧光的倏逝场耦合方法，结合楔角盘形微腔的腔动力学增强系统，重点突破高效率的色心荧光增强和高精度陀螺结构设计技术难题；采用锥形光纤耦合双路输出方法，实现陀螺的信号差分输出检测，替代传统的共聚焦荧光收集模式，解决核磁共振陀螺的芯片化集成问题，为新一代导航级固态核磁共振陀螺芯片的研制提供关键技术支持。

项目面向航空航天和装备技术领域长航时自主导航技术对新一代高精度陀螺技术发展需求，提出一种新型固态磁共振陀螺传感新方法，重点研究了纳米金刚石自旋结构开发、自旋态相干增强角速率传感方法、自旋传感效应光学微腔增强结构设计与集成制造、微波调制自旋信息解算方法等关键科学问题，并通过搭建测试系统，验证了角速率传感效应。. 按照项目计划，完成了项目研究内容，具体如下：. （1）纳米金刚石自旋结构开发及自旋态相干增强角速率传感方法。提出了一种电子辐照原子离位和电子捕获自旋结构开发方法，实现了高浓度NV色心自旋系综结构制造；建立了基于金刚石NV色心自旋哈密顿方程的角速度敏感模型，通过量化激光泵浦功率、入射角度、偏振态等核心参量与自旋极化率之间的关联关系，实现了对自旋态的高效极化，磁共振对比度提高至8.1%；利用XY-N型动力学解耦序列有效补偿了微波脉冲多轴作用缺陷误差，将自旋相干T2时间从350ns提升至8.7μs，等效提高了角速率传感灵敏度。. （2）自旋传感效应光学微腔增强结构设计与集成制造。提出了光学微腔局域增强自旋磁共振传感灵敏度方法，建立耦合区域透射系数与耦合间距之间的关联模型，制造了高品质纳米线激光器光学微腔结构，通过调节微腔增强模式，自旋磁共振峰对比度从0.8％提高到4.2％，提高了约5倍，等效提高了传感灵敏度约5倍。. （3）微波调制自旋信息解算方法及角速率传感效应验证。提出微波调制解调NV色心自旋荧光信号方法，实现了对自旋磁共振信号的高精度锁定；研制了数字电路检测系统，搭建了测试系统，验证了角速率敏感效应，对高灵敏度固态原子自旋角速率传感器件研制提供了技术支撑。. 成果方面：在项目执行期内，培养国家自然科学基金优秀青年1人，山西省委组织部青年拔尖人才1人，山西省“青年三晋学者”特聘教授1人，山西省人社厅学术技术带头人：1人，山西省“三晋英才”1人，培养及协助培育博士研究生2名，硕士研究生5名。共发表学术论文17篇（标注基金号），其中SCI收录论文11篇，参加国内外顶级学术会议7人次，邀请国外知名专家1人次，派送项目组成员赴国外知名实验室短期交流2人次，申请国家发明专利8项。