基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪

摘要

本发明涉及集群NV色心金刚石固态相位的贝利相移检测，具体为一种固态自旋共振原子陀螺仪，包括固体激光器（20），所述固体激光器（20）发出线偏振高斯光束，经准直后聚焦到声光调制器（19）上，再经过小孔滤波入射到第一双色镜（8）上，所述第一双色镜（8）镀膜，反射光经扫描振镜（7），用第二透镜（6）和第一透镜（5）使光束均匀的照射到NV色心金刚石（1）上。其潜在优势在于其小尺寸、热稳定性、三轴检测以及未来可提升空间大等。采用全固态的原子自旋陀螺设计方法，提高了灵敏度、信噪比和稳定性，是未来原子陀螺仪的重要发展方向。

权利要求

1.一种基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪，其特征在于：包括固体激光器（20），所述固体激光器（20）发出线偏振高斯光束，经准直后聚焦到声光调制器（19）上，再经过小孔滤波入射到第一双色镜（8）上，所述第一双色镜（8）镀膜，反射光经扫描振镜（7），用第二透镜（6）和第一透镜（5）使光束均匀的照射到NV色心金刚石（1）上；

所述NV色心金刚石（1）置于磁场系统（2）产生的均匀磁场中，并由微波及射频控制系统（3）通过微波及射频天线（4）分别产生微波和射频，使NV色心金刚石（1）发出入射光，入射光依次经第一透镜（5）、第二透镜（6）和扫描振镜（7），经过第一双色镜（8）将入射光和激励光分离，入射光经过第二双色镜（9）时，一部分反射，经第五透镜（17）聚焦后，由CCD（18）收集成像，另一部分入射光透射后，经滤波器（10）后，再由第三透镜（11）聚焦，经反射镜（12）和第四透镜（13），使光束变为平行光，经过光纤耦合器（14）将荧光耦合到第一、二单光子计数器（15、16）上。

2.根据权利要求1所述的基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪，其特征在于：所述NV色心金刚石（1）置于屏蔽箱（101）中，所述屏蔽箱（101）内设置底座（102），所述底座（102）上设置金刚石夹持器（103），所述金刚石夹持器（103）上夹持NV色心金刚石（1），所述NV色心金刚石（1）的正面正对屏蔽箱（101）的透射孔（115）；

所述NV色心金刚石（1）的正面搭接微波天线（110），所述微波天线（110）一端经天线固定装置（105）固定在位于屏蔽箱（101）内的基座（104）上、其另一端通过同轴电缆（109）经第一连接器（116）与位于屏蔽箱（101）外部的微波发生器（107）连接；

所述NV色心金刚石（1）的背面固连射频微天线（111），所述射频微天线（111）通过同轴电缆（109）经第二连接器（117）与位于屏蔽箱（101）外部的射频发生器（106）连接。

3.根据权利要求2所述的基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪，其特征在于：所述微波天线（110）由第一天线（1101）和第二天线（1102）并列设置构成，所述第一天线（1101）和第二天线（1102）之间由电阻相连。

4.根据权利要求2或3所述的基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪，其特征在于：所述NV色心金刚石（1）位于通过支架（114）连接的上磁场线圈（112）和下磁场线圈（113）之间，所述上、下磁场线圈（112、113）通过同轴电缆（109）经第三连接器（118）与位于屏蔽箱（101）外部的直流电源（108）连接。

5.根据权利要求4所述的基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪，其特征在于：所述NV色心金刚石（1）的侧面四个方向各放置1个光电检测器。

6.根据权利要求1所述的基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪，其特征在于：所述NV色心金刚石（1）的侧面四个方向各放置1个光电检测器。

7.根据权利要求5所述的基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪，其特征在于：所述微波发生器（107）和射频发生器（106）的通断均由FPGA控制。

8.一种基于NV色心金刚石的角速率敏感单元，其特征在于：包括屏蔽箱（101），所述屏蔽箱（101）内设置底座（102），所述底座（102）上设置金刚石夹持器（103），所述金刚石夹持器（103）上夹持NV色心金刚石（1），所述NV色心金刚石（1）的正面正对屏蔽箱（101）的透射孔（115）；

所述NV色心金刚石（1）的正面搭接微波天线（110），所述微波天线（110）一端经天线固定装置（105）固定在位于屏蔽箱（101）内的基座（104）上、其另一端通过同轴电缆（109）经第一连接器（116）与位于屏蔽箱（101）外部的微波发生器（107）连接；

所述NV色心金刚石（1）的背面固连射频微天线（111），所述射频微天线（111）通过同轴电缆（109）经第二连接器（117）与位于屏蔽箱（101）外部的射频发生器（106）连接；

所述NV色心金刚石（1）位于通过支架（114）连接的上磁场线圈（112）和下磁场线圈（113）之间，所述上、下磁场线圈（112、113）通过同轴电缆（109）经第三连接器（118）与位于屏蔽箱（101）外部的直流电源（108）连接。

9.根据权利要求8所述的基于NV色心金刚石的角速率敏感单元，其特征在于：所述微波天线（110）由第一天线（1101）和第二天线（1102）并列设置构成，所述第一天线（1101）和第二天线（1102）之间由电阻相连。

10.根据权利要求8或9所述的基于NV色心金刚石的角速率敏感单元，其特征在于：所述NV色心金刚石（1）的侧面四个方向各放置1个光电检测器。

说明书

基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪

技术领域

[0001] 本发明涉及集群NV色心金刚石固态相位的贝利相移检测，具体为一种固态自旋共振原子陀螺仪。

背景技术

[0002] 惯性器件作为导航系统的基础，在军民两用领域都有广泛的应用。现阶段航空领域用于导航的器件有基于Sagnac效应的光纤陀螺，灵敏度水平在2×10-8rads-1Hz-1/2。利用相同效应的大尺寸(达到m2)环形激光陀螺，灵敏度达到了2×10-10rads-1Hz-1/2。冷原子干涉型陀螺据研究灵敏度可以达到(10-9-10-10)rads-1Hz-1/2。气态核自旋具有很长的相干时间，-7 -1 -1/2 3也可以用在角速率测量领域，其灵敏度可以达到10 rads Hz 。如果密闭气室达到数cm时，灵敏度也能达到10-10rads-1Hz-1/2。普通商用MEMS陀螺灵敏度在10-4rads-1Hz-1/2。

[0003] 世界各国对核磁共振陀螺(NMRG)的研制主要有室温光泵浦NMRG和低温超导NMRG两个方向。Singer-Kearfott公司、Simpson、Litton公司从上世纪六七十年代就开展了室温129 83
光泵浦NMRG的研究，采用的介质有Hg、惰性气体 Xe和 Kr等；同时，Stanford大学、ARE(Slough)和Sussex大学、Princeton大学开始转入低温超导NMRG的研制。美国DARPA的Micro-PNT发展战略(Microtechnology for Positioning,Navigation,and Time)微型位置、导航与授时技术；发展可广泛使用的高精度、微小型自主定位导航与授时技术：提升微小型时钟、惯性仪表及系统精度，并实现高度集成。诺斯罗普·格鲁门公司获得NGIMG全程支持，研制成功核磁共振陀螺样机。为了降低功耗，这些器件采用永久磁铁与低功耗垂直腔面发射激光器，抽运与检测激光互相垂直。他们研制的样机精度从2007年的 提高到了
2013年的 随机游走提高到了 体积减小到了10cm3。这些研究标志着
微小型、高精度陀螺技术取得重大突破，成为了世界上达到导航级精度中，体积最小的陀螺。国内对原子陀螺的研究单位主要集中在SERF陀螺、磁强计和核磁共振陀螺等方面，取得了一定的进展。关于固态自旋陀螺，国内外还处于原理验证阶段。

[0004] 另一方面，金刚石中的氮–空位(nitrogen-vacancy，NV)色心是目前最成功的自旋磁共振体系之一。其室温下优异的光读出、极化性质,毫秒量级的相干时间，使得NV色心成为实现量子信息处理和量子精密测量的重要平台。自2008年德美科学家提出室温下纳米尺度的磁场成像方案以来，NV色心在量子精密测量领域进展迅速。利用NV色心作探头，将其制成量子干涉仪，纳米尺度下磁场、电场、温度的测量都已成功实现。利用氮空位金刚石NV色心优良的角速率敏感特性以及大的工作温度范围(超低温至600-700K)，其在原子自旋共振陀螺的应用研究已经提上了日程。基于NV色心的原子自旋启动时间极短(μs)，稳定性优越，对磁场和温度的要求低，可以实现三个方向的角速率信息测量，互相耦合低；灵敏度高，体积小，未来可提升性能的空间大。因此，基于NV色心的金刚石自旋共振陀螺具有巨大的潜在应用价值，有非常广阔的发展前景。

发明内容

[0005] 本发明主要针对陀螺仪的大体积、高功耗、漂移大以及温度范围低等缺点，基于目前的NV抽运方法，提出高性能基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋陀螺仪。应用原子激发、光抽运理论，光收集技术与量子调控等前沿技术，利用基于金刚石NV色心的核磁(电子自旋)共振敏感三个方向角速率。使用激光脉冲实现NV色心的基态极化，施加脉冲实现能级跃迁，通过收集技术将角速率变化引起跃迁的荧光数量布居变化进行收集并读取，研制高性能固态自旋原子陀螺仪。

[0006] 金刚石中的氮空位(NV)色心，是由一个氮原子取代了金刚石中的一个碳并且捕获0
周围的一个空穴形成的，其结构具有C3V对称性。NV色心根据带电量的不同分为NV (中性)和带负电的NV-1。常用的NV色心为NV-1，其吸收和发射波长都位于可见光的范围，易于被激发和测量(637nm-800nm)，其零声子线(ZPL)对应的波长为637nm。NV色心的自然寿命大约是
12ns，使得辐射荧光的线宽大约是15MHz。室温观测到的线宽要比15MHz大三到四倍。NV色心荧光的光谱范围一般在650～850nm。

[0007] NV色心的基态能级结构如下，它的C3V结构能够沿着任何四个晶向对称。电子基态为自旋三重态(S＝1)，在无外部磁场或者应力的作用时，ms＝±1是简并的，ms为S沿对称轴方向的投影有关的量子数。由于自旋-自旋的作用，ms＝0与ms＝±1之间的零场分裂能级为D＝2.87GHz。当沿NV对称轴方向施加一BZ的磁场，基态能级会产生一个msgsμbBZ的能量偏移，其中gs≈2为电子的朗德因子，μB＝8.79rad/s/G为波尔磁子。外加局域应力时，ms＝±1次能级简并，相对应的基态能级分裂，分裂的能量为2E，E为横向零场分裂参数，对于高密度NV色心金刚石来说，通常E为几个MHz。施加几个Gauss的磁场时其基态能级近似等于Sz。因此，14N核自旋(I＝1)的精细能级对电子能级的耦合会产生另外的能级劈裂。

[0008] 以下方法实现基态光检测磁共振(ODMR，optically detected magnetic resonance)谱测量：从3A2基态到3E激发态多种形式的光跃迁是自旋保守的，磁量子数ms保持不变，使用532nm光可以实现典型3A2→3E跃迁的声子边带激发。ms＝0基态通过自旋非保守衰减实现光泵浦。637nm处零声子线与相关PSB的荧光在ms＝0激发比其它情况激光更强。因此，利用微波调制的方法实现ms＝0→ms＝±1的基态跃迁减少ms＝0的基态分布，同时减少了零声子线及PSB处的荧光分布。假设NV-与外加磁场方向平行，忽略14N精细能级耦合，发射荧光与微波频率的关系是以D为中心的双重线，双重线劈裂的宽度由磁场Δ＝2gsμBBZ决定(gsμBBZ＞＞E)。如果考虑14N精细能级的作用，则双重线中的每一条线就会分裂为三重线。
核自旋极化需要高磁场，在图1中观测到的结果是假设磁场约为10G的情况。我们也可以通过1042nm激光调制在两个单重态之间实现跃迁检测红外光的传输提高光吸收效率，达到自旋检测的目的。

[0009] 在磁场作用下，ms＝±1的态会产生分裂，对应一个拉莫尔进动频率。由于目前无法直接将原子极化到ms＝+1或ms＝-1上，因此不能像气态原子自旋陀螺那样，直接通过ms＝+1和ms＝-1之间的共振来进行进动频率的测量。而需要通过微波信号在ms＝0与ms＝±1之间形成两个共振，利用两个共振的差值进行进动频率的测量。对于核子进动的测量，还可以利用Hanh-echo的技术，通过测量电子自旋回声信号的波动周期来计算核子的进动频率。另外当C核子的极化率达到～0.01％以上后，还可以直接采用电感拾取线圈来进行进动频率的测量。

[0010] 本发明是采用如下技术方案实现：

[0011] 一种基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪，包括固体激光器，所述固体激光器发出线偏振高斯光束，经准直后聚焦到声光调制器上，再经过小孔滤波入射到第一双色镜上，所述第一双色镜镀膜，反射光经扫描振镜，用第二透镜和第一透镜使光束均匀的照射到NV色心金刚石上。

[0012] 所述NV色心金刚石置于磁场系统产生的均匀磁场中，并由微波及射频控制系统通过微波及射频天线分别产生微波和射频，使NV色心金刚石发出入射光，入射光依次经第一透镜、第二透镜和扫描振镜，经过第一双色镜将入射光和激励光分离，入射光经过第二双色镜时，一部分反射，经第五透镜聚焦后，由CCD收集成像，另一部分入射光透射后，经滤波器后，再由第三透镜聚焦，经反射镜和第四透镜，使光束变为平行光，经过光纤耦合器将荧光耦合到第一、二单光子计数器上。

[0013] 上述NV色心金刚石与磁场系统、微波及射频控制系统构成角速率敏感单元。

[0014] 具体的，角速率敏感单元包括屏蔽箱，所述屏蔽箱内设置底座，所述底座上设置金刚石夹持器，所述金刚石夹持器上夹持NV色心金刚石，所述NV色心金刚石的正面正对屏蔽箱的透射孔。

[0015] 所述NV色心金刚石的正面搭接微波天线，所述微波天线一端经天线固定装置固定在位于屏蔽箱内的基座上、其另一端通过同轴电缆经第一连接器与位于屏蔽箱外部的微波发生器连接。

[0016] 所述NV色心金刚石的背面固连射频微天线，所述射频微天线通过同轴电缆经第二连接器与位于屏蔽箱外部的射频发生器连接。

[0017] 所述NV色心金刚石位于通过支架连接的上磁场线圈和下磁场线圈之间，所述上、下磁场线圈通过同轴电缆经第三连接器与位于屏蔽箱外部的直流电源连接。

[0018] 其中，高频信号发生系统一路由微波发生器通过微波天线(20um铜线)与氮空位色心金刚石搭接，使得微波发生器的信号可以对金刚石产生作用，同时微波信号的频率也可以进行扫频；另一路由射频发生器产生射频信号，经过金刚石背面的射频微天线施加在NV色心上。两路高频信号均有对应开关由系统FPGA硬件实现同步通断控制。金刚石能级初始化采用532nm激光器产生激励光，经声光调制器(AOM)、双色镜和扫描振镜对激光进行控制，并对金刚石的NV色心进行脉冲激励；激发的荧光一部分被分布于金刚石四周的光电二极管接收，另外一部分原路返回，经透镜和扫描振镜，在经双色镜将入射光(绿光)和激励光(红光)进行分离，后经过滤波和反射镜，荧光经光纤耦合器后被两个单光子计数器检测。两个高频信号发生器产生的微波与射频场用于进行NV色心及目标自旋的操控，两路信号借助阻抗匹配的波导线耦合进入金刚石上的波导内。ODMR操作的脉冲相互协调由FPGA(可编程逻辑器件)实现。AOM触发、RF和微波的通断均有FPGA控制，FPGA也能实现脉冲实验的APD时间控制读出，进行NV自旋态检测。磁场是通过磁场线圈通电后产生的。高频信号发生器的信号输出端连接氮空位金刚石的固定部件。

[0019] 集群NV色心金刚石固态自旋陀螺仪工作流程：

[0020] 1、利用电子自旋的金刚石陀螺实验流程如图5(a)：首先，利用532nm泵浦光将NV-色心初始化到ms＝0态，然后对ms＝0态的自旋施加π/2微波脉冲，当自旋自由旋进时间t后，再施加第二个π/2脉冲，此时相干态在脉冲的作用下重新进行布居。当第二个脉冲结束后，532nm泵浦光序列接着照射试料，此时NV色心的自旋态可以通过检测发射的荧光读出。荧光的结果由下式给出：

[0021] F≈ηN(1+Rcosω±t)…………………………………………(1)

[0022] 其中，R为ms＝0与ms＝1态的自旋态检测对比，η为光子收集效率，N为参与荧光发射的NV-色心数量，ω±为反映外部角速率信息的物理量。

[0023] 2、利用14N核自旋的金刚石陀螺实验流程如图5(b)右面序列。使用532nm激光器照射金刚石表面，同时施加约500G大小的磁场，磁场的方向与NV对称轴的方向平行，这样NV色心被激发到了|ms＝0,mI＝1>态(实现初始化)。初始化后关闭激光光源，磁场减小到10G(为了提高NV色心的稳定性)；此时施加第一个π/2脉冲，|ms＝0,mI＝1>与|ms＝0,mI＝-1>基态次能级系统建立了相干态，两精细能级跃迁的共振频率为ωhf≈5.1MHz。在10G磁场同时作用下，经过时间t的自旋自由演化后，超精细能级间的耦合以及试料与外部载体的旋转，引起核塞曼分裂(Zeeman splitting)、相位角偏移。第二个π/2脉冲又将相干态激发回到14N赛14
曼次能级布居，此时施加微波脉冲，调制频率到产生 N精细能级跃迁所需的频率，选择性读出现在状态光子的信息。备选能级的自旋布居以正弦形式振荡，振荡频率与频率ωnuc＝ωhf+γNN+ω成比例，γN为N原子核的磁旋比(这里我们设θ＝π/2，所以1-cosθ因子为1)。微波与光的跃迁是在mI次能级进行的，跃迁中产生的荧光以正弦形式调制到检测结果F中，表示为：

[0024]

[0025] 其中，B0为磁场强度， 为在微波照射产生跃迁时所加磁场的带宽，同时采用微波的洛伦兹光谱线型，用来衡量由于磁场波动带来的各种可能的噪声。ω±为反映外部角速率信息的物理量。

[0026] 图1是金刚石NV色心的基态、基态精细能级与超精细能级示意图。NV色心的电子以3A2对称结构占据基态的轨道，利用光跃迁的方式可以将此电子从基态激发到3E激发态。其中，基态分裂是典型的自旋-自旋作用分裂，零场作用下，通过施加D＝2.87GHz的自旋作用，ms＝0与ms＝±1产生分裂。 跃迁的零声子线(ZPL)为638nm，声子边带范围为
638nm至450nm。沿NV轴方向施加静磁场将会使ms＝+1与ms＝-1产生分裂。

[0027] NV-的电子激发至激发态回落时，可以直接 回落(自旋守恒跃迁)，此过程伴随红光发出，波长为637-800nm；也可以通过 此过程自旋不守恒。理论上说，NV色心的光激发将导致所有的电子被光泵浦至ms＝0次能级。可以根据荧光的多少来确认初始状态电子在自旋基态的几率，能够读出初始态。因为ms＝0初始态激发后发出较强荧光，而初始态激发后发出荧光较弱，因此，可以通过光检测磁共振(ODMR)方法检测与NV-色心基态自旋跃迁有关的外部旋转速率。

[0028] 在几个高斯的磁场强度作用下，NV-的基态能级与14N超精细能级耦合，耦合结果如图1(a)右所示。竖直的双箭头表示允许微波跃迁的能级，跃迁的原则是核自旋保持不变，ml＝0。如前所示，当无外部磁场作用时，ms＝±1二重简并。在外部微波作用下，由于自旋-自旋的相互作用，ms＝±1与ms＝0发生零场分裂，其中零场分裂D＝2.87GHz。

[0029] 沿NV对称轴方向施加磁场Bz，基态能级发生msgsμBBz的迁移，对于电子来说，朗德因子gs≈2，玻尔磁子μB＝8.79rad/s/G，方向与磁场方向一致。

[0030] 对于足够大的磁场(10G或更大)，对于不同方向的NV色心，它的能级跃迁方向能够很方便的与其它NV色心区别开来。另外，能级跃迁为共振激发，所以我们可以忽略其它方向NV色心对跃迁的能量贡献)。外加局域作用力时，ms＝±1次能级简并，相对应的基态能级分裂，分裂的能量为2E，E为横向零场分裂参数，对于高密度NV色心金刚石来说，通常E为几个MHz。施加几个Gauss的磁场时其基态能级近似等于Sz。因此，14N核自旋(I＝1)的精细能级对电子能级的耦合会产生另外的能级劈裂，如图1(a)右图所示。

[0031] 利用基态光检测磁共振(ODMR，optically detected magnetic resonance)谱检测NV-核自旋态：利用从3A2基态到3E激发态多种形式的光跃迁的自旋守恒，磁量子数ms保持不变，使用532nm激光可以实现典型3A2→3E跃迁的声子边带激发。ms＝0基态通过自旋非守恒衰减实现光泵浦。637nm处零声子线与相关PSB的荧光在ms＝0激发比其它情况激光更强。因此，利用微波调制的方法实现ms＝0→ms＝±1的基态跃迁减少ms＝0的基态分布，同时减少了零声子线及PSB处的荧光分布。假设NV-与外加磁场方向平行，忽略14N精细能级耦合，发射荧光与微波频率的关系是以D为中心的双重线，双重线劈裂的宽度由磁场Δ＝2gsμBBZ决定(gsμBBZ＞＞E)。如果考虑14N精细能级的作用，则双重线中的每一条线就会分裂为三重线。
14
如图1(b)所示分别为非极化(上)和极化(下)情况下 N自旋的ODMR谱。核自旋极化需要高磁场，在本图中观测到的结果是假设磁场约为10G的情况。也可以通过1042nm激光调制在两个单重态之间实现跃迁检测红外光的传输提高光吸收效率，达到自旋检测的目的。

[0032] 基于上述过程，应用原子激发、光抽运理论、光收集技术与量子调控等前沿技术，基于金刚石NV色心的核磁(电子自旋)共振敏感三个方向角速率的陀螺仪，研究如何通过检测自旋进动来实现角速率的测量，基于全新的设计思路，想法新颖，具有如下优点：其一，金刚石原子自旋陀螺与现有原子自旋陀螺的主要区别是用固态原子体系代替气态的原子体系，这种替换的优点是固态原子体系具有更高的自旋密度、更易于单片集成；缺点是固态原子体系中自旋周围的扰动较大，因而弛豫时间较短。NV金刚石固态陀螺体积较小，易于集成。以目前常用的掺杂工艺计算，实现同样的自旋密度，固态自旋陀螺只需要气态自旋陀螺1/100的表头尺寸。第二，磁场干扰小，可实现单点三轴测量。现有的两种气态陀螺从原理上受到磁场的干扰很大，即使采用多层高效磁屏蔽后，仍然需要通过双核子对消或自跟踪补偿的方法来消除磁场的影响，从而使整个系统的复杂性增加。金刚石具有天然的四个确定晶格取向，如果同时进行电子、N核子和C核子的进动测量，可同时获得四个确定方向上的12个进动方程，而其中只有三轴磁场和三轴角速率6个独立的待测分量，因此具有足够的信息将三轴角速率解算出来并消除相关的磁场项。第三，启动时间短。NV色心金刚石中核子的极化基于激发态的Ramsey振荡，而不是基态的自旋交换碰撞，因此启动时间在10μs量级。相比之下，目前气态陀螺的启动时间一般在分钟量级。

[0033] 从缺点和不足的角度看，NV金刚石中NV结构受临近C原子的影响较大，退极化时间较短。以目前的NV的退极化时间计算，所能达到的理论灵敏度要略低于现有气态陀螺的理论灵敏度。

[0034] 因此，本发明基于全新的理论，提出了一种应用金刚石高密度NV-色心的几何相位效应(Berry effect)研制的陀螺(NV陀螺)。其潜在优势在于其小尺寸、热稳定性、三轴检测以及未来可提升空间大等。采用全固态的原子自旋陀螺设计方法，提高了灵敏度、信噪比和稳定性，是未来原子陀螺仪的重要发展方向。

附图说明

[0035] 图1表示金刚石NV色心的基态、基态精细能级与超精细能级示意图。

[0036] 图2表示集群NV色心金刚石固态自旋陀螺系统示意图。

[0037] 图3表示角速率敏感单元构成布局示意图。

[0038] 图4表示角速率敏感单元空间位置示意图。

[0039] 图5表示施加于NV色心金刚石的脉冲序列示意图。

[0040] 图中，1-NV色心金刚石，2-磁场系统，3-微波及射频系统，4-微波及射频天线，5-第一透镜，6-第二透镜，7-扫描振镜，8-第一双色镜，9-第二双色镜，10-滤波器，11-第三透镜，12-反射镜，13-第四透镜，14-光纤耦合器，15-第一单光子计数器，16-第二单光子计数器，
17-第五透镜，18-CCD，19-声光调制器，20-固态激光器，101-屏蔽箱，102-底座，103-金刚石夹持器，104-基座，105-天线固定装置，106-射频发生器，107-微波发生器，108-直流电源，
109-同轴电缆，110-微波天线，111-射频微天线，112-上磁场线圈，113-下磁场线圈，114-支架，115-透射孔，116-第一连接器，117-第二连接器，118-第三连接器，119-磁场线圈，1101-第一天线，1102-第二天线。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

[0042] 一种基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪，如图2所示，包括波长为532纳米的固体激光器20，固体激光器20发出532nm线偏振高斯光束，经准直后聚焦到声光调制器19上，再经过小孔滤波，入射到第一双色镜8上，由于双色镜8的特殊镀膜，532nm绿光基本反射，经过扫描振镜7后，用第二透镜和第一透镜使光束均匀的照射到NV色心金刚石1上。磁场系统2产生均匀的10高斯的磁场，NV色心金刚石1置于该均匀磁场中，微波及射频控制系统3分别产生功率为几十瓦的2.87GHz，5.1MHz的微波和射频；采用图5(a)、(b)相应的时序，对金刚石NV-色心进行控制，使NV色心金刚石1发出荧光，荧光经扫描振镜7，由于NV色心的荧光波长在650～850nm，经过第一双色镜8时几乎全部通过，荧光经过第二双色镜9时，一部分反射，经第五透镜17聚焦后，由CCD18收集成像，另一部分荧光透射后，经滤波器
10滤掉少量的532nm绿光，再由第三透镜11聚焦，经反射镜12，第四透镜13，使光束变为平行光，经过光纤耦合器14将荧光耦合到第一、二单光子计数器15、16上。

[0043] 角速率敏感单元分布如图3、4所示：

[0044] NV色心金刚石1放置在屏蔽箱101的中间部位，微波发生器107经同轴电缆109与第一连接器116一端相连，另一端与20um直径的铜线(第一天线1101)相连，铜线的另一端经天线固定装置105固定在基座104上，第二根铜线(第二天线1102)运用相同的方法固定在基座104上，两根铜线用50欧姆的电阻相连，两根铜线构成微波天线110，铜线与金刚石正面搭接(距离小于1mm)，微波天线发射的信号与金刚石的作用达到最优。

[0045] 射频发生器106经同轴电缆109与第二连接器117一端相连，另一端与位于NV色心金刚石1背面的射频微天线结构相连，该射频微天线是通过微加工工艺将金线生长在金刚石背面。

[0046] 金刚石1、金刚石背面射频微天线固定在可更换金刚石夹持器103上，可更换金刚石夹持器103固定在底座102上，并且可以按照要求进行更换。

[0047] 金刚石1置于四根支架114连接的上、下磁场线圈112、113的中间，磁场线圈通过同轴电缆109经第三连接器118与外部直流电源108相连，产生均匀磁场。

[0048] 除去微波发生器、射频发生器与直流电源，角速率敏感系统的其它元件全部放置在屏蔽箱里，用于隔磁、除光。532nm激励光通过屏蔽箱101上的透射孔115照射到金刚石表面产生NV-激发，受激产生的荧光从金刚石1侧面及背面发出，四个光电二极管放置在金刚石侧面的四个方向，用于收集金刚石发出的荧光信息。

[0049] 该NV色心金刚石固态自旋陀螺仪的主要优点为：

[0050] (1)、提出了应用金刚石高密度NV-色心的几何相位效应(Berry effect)研制陀螺仪(NV陀螺)。其潜在优势在于其小尺寸、热稳定性、三轴检测以及未来可提升空间大等。

[0051] (2)、采用全固态的原子自旋陀螺设计方法，利用激光极化赋予核自旋宏观指向，磁共振激励激发核磁共振，激光检测NV色心检测核自旋进动频率以及磁屏蔽隔离磁场干扰等技术，有效的客服了气态核磁共振陀螺长相干时间。

[0052] (3)、还可以采用NV色心极化13C的方法，直接替代了外部所用激光器的作用，极大的减小了系统的体积。

[0053] (4)、用金刚石13C和NV色心代替了密闭气室，实现单位体积的NV密度远远高于密闭气室气体分子密度，提高了灵敏度、信噪比和稳定性；系统观测到的与旋转有关的频率变化与载体的旋转速率ω，旋转轴与NV-对称轴的倾角θ有关。NV沿四个对称轴方向的Berry phase shifts能够用来进行测量三个方向旋转的大小。

[0054] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。