一种探头装置以及磁力计

1.本技术涉及磁场测量领域，更具体的说，涉及一种探头装置以及磁力计。


背景技术：

2.nv色心是金刚石中的一种点缺陷，其电子自旋对外磁场变化十分敏感，因此现有技术基于此原理设计并制作磁测量传感器，即nv色心磁传感器。nv色心磁传感器作为一种高灵敏度的量子磁传感器，理论上能够实现飞特斯拉量级的磁场测量灵敏度，同时还具有能够在室温大气、极端压力和广泛温区环境下工作的特点。nv色心磁传感器在工业探伤、导航测磁、地址勘探等领域有着广泛的应用前景。
3.现有技术中对于nv色心磁传感器的搭建还处于利用现成商用产品进行组装的阶段，系统中光学组件、读出探测器、微波系统等组织松散，造成nv色心磁传感器体积和功耗较大，设备鲁棒性差，不利于应用，进而影响以nv色心磁传感器为基础的磁力计。另外，nv色心磁传感器中的激光光源产生的噪声会影响磁场测量灵敏度。因此，如何设计出高集成度和高可靠性的nv色心磁传感器，以及如何消除噪声的影响，成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术提供了一种探头装置以及磁力计，降低了装置的体积和功耗，提高了集成度和可靠性，降低甚至消除了激光功率噪声的影响。
5.为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
6.本技术第一方面提供了一种探头装置，包括：
7.激光器，用于输出激光信号；
8.金刚石样品，所述金刚石样品内含nv色心，用于基于所述激光信号形成荧光信号；
9.微波辐射模块，用于在所述金刚石样品区域产生微波辐射场，所述微波辐射场用于使得所述荧光信号携带磁场信息；
10.激光监测模块，用于监测所述激光器的激光功率；
11.荧光监测模块，用于监测所述荧光信号。
12.可选的，还包括：基板，具有相对的第一表面和第二表面；
13.所述微波辐射模块位于所述第一表面；
14.所述金刚石样品位于所述微波辐射模块背离所述基板的一侧表面；
15.所述荧光监测模块位于所述金刚石样品背离所述基板的一侧；
16.所述激光监测模块位于所述第一表面，且与所述金刚石样品的侧壁抵接。
17.可选的，所述荧光检测模块包括：位于所述金刚石样品背离所述基板一侧的第一滤波片，以及位于所述第一滤波片背离所述金刚石样品一侧表面的第一传感器；
18.其中，所述第一滤波片用于滤除所述激光信号，通过所述荧光信号；所述第一传感器用于接收经所述第一滤波片入射的所述荧光信号。
19.可选的，所述激光监测模块包括：与所述金刚石样品的侧壁抵接的第二滤波片，以及位于所述第二滤波片背离所述金刚石样品一侧表面的第二传感器；
20.其中，所述第二滤波片用于滤除所述荧光信号，通过所述激光信号；所述第二传感器用于接收经所述第二滤波片入射的所述激光信号。
21.可选的，所述第一传感器和所述第二传感器均为光电传感器，用于将所述激光信号以及所述荧光信号转换为电流电信号；
22.还包括：前端放大电路，所述前端放大电路分别与所述第一传感器以及所述第二传感器连接，用于对所述电流电信号进行交流耦合，将耦合后的所述电流电信号转化为电压电信号，并对所述电压电信号进行放大。
23.可选的，所述金刚石样品包括相对的第三表面和第四表面，以及位于所述第三表面和第四表面之间的多个侧面；所述第三表面朝向所述荧光监测模块，所述第四表面背离所述荧光监测模块；
24.还包括：反射棱镜，用于将所述荧光信号反射至所述荧光监测模块；
25.其中，一个所述侧面与所述激光监测模块抵接；其余所述侧面至少一个对应所述反射棱镜。
26.可选的，所述金刚石样品包括相对的第三表面和第四表面，以及位于所述第三表面和第四表面之间的多个侧面；所述第三表面朝向所述荧光监测模块，所述第四表面背离所述荧光监测模块；
27.至少部分所述侧面为斜面，用于将所述荧光信号反射至所述第一滤波片。
28.可选的，还包括：
29.位于所述斜面的反射膜，用于将所述荧光信号反射至所述第一滤波片。
30.可选的，所述微波辐射模块为双开口环辐射结构，所述双开口环辐射结构包括第一辐射圆环和第二辐射圆环，所述第二辐射圆环至少部分包围所述第一辐射圆环；
31.其中，所述第一辐射圆环包括第一开口，所述第二辐射圆环包括第二开口，所述第一开口的开口方向与所述第二开口的开口方向相反。
32.本技术在第二方面还提供了一种磁力计，包括：
33.如第一方面中任一所述的探头装置。
34.通过上述描述可知，本技术技术方案提供的探头装置以及磁力计，通过将激光器、金刚石样品、微波辐射模块、激光监测模块以及荧光监测模块集成为探头装置，降低了装置的体积和功耗，提高了装置的集成度以及可靠性。另外，本技术通过设置激光监测模块监测激光器的激光功率，可以通过噪声相消的方式实现信噪比的提升，进而降低甚至消除激光功率噪声的影响。
附图说明
35.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
36.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，
以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本技术所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
37.图1为本技术实施例提供的一种探头装置的结构示意图；
38.图2为本技术实施例提供的一种探头装置的切面示意图；
39.图3为本技术实施例提供的另一种探头装置的切面示意图；
40.图4为本技术实施例提供的一种探头装置的三维示意图；
41.图5为本技术实施例提供的一种探头装置的三维俯视图；
42.图6为本技术实施例提供的一种探头装置的三维左视图；
43.图7为图5中aa’的剖面结构示意图；
44.图8为本技术实施例提供的一种支撑结构的结构示意图；
45.图9为本技术实施例提供的一种反射棱镜的结构示意图。
具体实施方式
46.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术中的实施例进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
47.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
48.如背景技术所述，在nv色心磁传感器中，对于磁场信号的读出主要依赖nv色心形成的荧光信号的强度变化的读出，因此对于荧光信号的收集效率对磁传感器的测量灵敏度起到关键性的作用。另外，nv色心形成的荧光信号的强弱与激发光的功率有关，激光发功率的波动会带来荧光信号强度的变化，会对荧光信号的强度变化的读出产生影响，进而影响测量的准确性。
49.其中，基于nv色心受激发形成的荧光并无特定的传播方向，因此仅在某一方向上收集荧光信号会导致荧光信号大量逸散，降低了信噪比，同时，由于金刚石具有较高的折射率，在与空气接触的表面仅有非常小的角度方位内荧光信号能够出射，因此大量的荧光信号无法逸出金刚石，进一步限制了荧光收集效率。
50.基于上述问题，本技术提出了一种探头装置，参考图1和图2，图1为本技术实施例提供的一种探头装置的结构示意图，图2为本技术实施例提供的一种探头装置的切面示意图。所述探头装置包括：
51.激光器1，用于输出激光信号11。
52.金刚石样品2，所述金刚石样品内含nv色心，用于基于所述激光信号形成荧光信号，其中，在激光信号照射时，nv色心的自旋会在不同能级之间发生跃迁，并发射荧光光子，即本技术所述的荧光信号。
53.微波辐射模块3，用于在所述金刚石样品区域产生微波辐射场，所述微波辐射场用于使得所述荧光信号携带磁场信息。
54.激光监测模块4，用于监测所述激光器的激光功率。
55.荧光监测模块5，用于监测所述荧光信号。
56.在该探头装置中，激光器1出射的激光信号11经金刚石样品2内nv色心和微波辐射结构3的双重作用后形成携带磁场信息的荧光信号，该荧光信号由荧光监测模块5收集后，分析该荧光信号携带的磁场信息能够获取被检测物体的参数，该参数包括但不限于方位角等。
57.可选的，激光器1为激光二极管，激光二极管的体积小，出射激光功率较高，有利于提高探头装置的整体集成度。具体的，激光二极管出射波长为510-540nm的绿色激光聚焦于金刚石样品2中，激发nv色心产生荧光。另外，金刚石样品2朝向激光器1的表面可以设置一增透膜，该增透膜可以增强激光信号11的入射效率。
58.另外，该探头装置实现对激光器1、金刚石样品2、微波辐射模块3、激光监测模块4以及荧光监测模块5的一体化集成，降低了装置的体积和系统和功耗，进而提高了装置的集成度以及可靠性。同时，该探头装置增加了收集激光信号11的激光监测模块4，实现了对于激光器1激光功率的监测，利于消除激光器1产生的噪声对于测量精度的影响，提高了装置测量的精度，进一步提高了装置的性能。
59.可选的，参考图4，图4为本技术实施例提供的一种探头装置的三维示意图，探头装置还包括：基板8，具有相对的第一表面和第二表面。
60.所述微波辐射模块3位于所述第一表面。
61.所述金刚石样品2位于所述微波辐射模块3背离所述基板8的一侧表面，即所述金刚石样品2位于所述微波辐射模块3上。
62.所述荧光监测模块5位于所述金刚石样品2背离所述基板8的一侧。
63.所述激光监测模块4位于所述第一表面，且与所述金刚石样品2的侧壁抵接。
64.需要说明的是，图4中并未示出激光器1，但是显而易见的，激光器1位于基板8朝向第二表面的一侧，出射的激光信号11经基板8入射至金刚石样品2。可选的，基板8具有良好的透光性，和/或基板8在金刚石样品2所在位置具有贯穿第一表面和第二表面的通孔。优选的，该通孔的大小小于金刚石样品2的大小，利于基板8对金刚石样品2的支撑，进而增加探头装置的稳定性。
65.可选的，基板8表面还设置相应的散热单元，用于对探头装置内的微波辐射模块3、荧光监测模块5、激光监测模块4等进行散热，提高探头装置的功率，进而提高了性能。
66.参考图1、图2和图6，图6为本技术实施例提供的一种探头装置的三维左视图。在本技术实施例中，荧光检测模块5包括：位于所述金刚石样品2背离所述基板8一侧的第一滤波片51，以及位于所述第一滤波片51背离所述金刚石样品2一侧表面的第一传感器52。优选的，第一滤波片51和第一传感器52相互贴合。
67.其中，所述第一滤波片51用于滤除所述激光信号11，通过所述荧光信号；所述第一传感器52用于接收经所述第一滤波片51入射的所述荧光信号。所述第一传感器52包括第一传感器引脚521，所述第一传感器52收集的荧光信号经第一传感器引脚521传输至外部电路。
68.优选的，在本技术实施例中，第一滤波片51仅通过荧光信号，反射包括激光信号11在内的其他信号。第一滤波片51通过荧光信号并滤除或反射激光信号，避免了第一传感器52接收激光信号。基于第一传感器52接收激光信号会造成的大量无用本底信号，影响信噪
比，因此第一滤波片51降低了激光信号对于信噪比的影响，进而提高了装置测量的精度。
69.另外，所述激光监测模块4包括：与所述金刚石样品2的侧壁抵接的第二滤波片41，以及位于所述第二滤波片41背离所述金刚石样品2一侧表面的第二传感器42。优选的，第二滤波片41和第二传感器42相互贴合。
70.其中，所述第二滤波片41用于滤除所述荧光信号，通过所述激光信号11；所述第二传感器42用于接收经所述第二滤波片41入射的所述激光信号11。所述第二传感器42包括第二传感器引脚421，所述第二传感器42收集的激光信号11经第二传感器引脚421传输至外部电路。
71.基于所述第二传感器42接收的激光信号11，识别激光器1激光功率噪声，进而对噪声进行精确消除，提高装置的信噪比。
72.需要说明的是，激光信号经金刚石样品2后传输至第一滤波片51的表面，发生激光信号的反射以及散射。散射后的激光信号会传输至第二滤波片41的表面，并经第二滤波片41被第二传感器42收集。由于激光器1的激光功率较强，第二传感器42收集散射后的激光信号即可实现对于激光功率的监测。优选的，在本技术实施例中，第二滤波片41仅通过激光信号11，反射包括荧光信号在内的其他信号。第二滤波片41通过激光信号并滤除或反射荧光信号，避免了第二传感器42接收荧光信号，保证了第二传感器42监测激光信号的精度，避免了第二传感器42错误收集了荧光信号以及错误收集造成的错误消除噪声。同时，反射的荧光信号能够经金刚石样品2或者其他介质进入到荧光监测模块5，进而提高了荧光信号的收集率。
73.在本技术实施例中，所述第一传感器52和所述第二传感器42均为光电传感器，用于将所述激光信号11以及所述荧光信号转换为电流电信号。可选的，光电传感器为光电二极管。
74.另外，所述探头装置还包括：前端放大电路，所述前端放大电路分别与所述第一传感器以及所述第二传感器连接，用于对所述电流电信号进行交流耦合，将耦合后的所述电流电信号转化为电压电信号，并对所述电压电信号进行放大。
75.优选的，光电传感器将所述激光信号11以及所述荧光信号转换为电流电信号，所述前端放大电路将所述电流电信号进行交流耦合(滤除电流电信号内直流部分)，将耦合后的所述电流电信号转化为电压电信号，并对所述电压电信号进行放大。另外，放大后的电压电信号传输至数据采集系统进行读出。参考图1、图4、图5和图6，图5为本技术实施例提供的一种探头装置的三维俯视图。所述金刚石样品2包括相对的第三表面和第四表面，以及位于所述第三表面和第四表面之间的多个侧面；所述第三表面朝向所述荧光监测模块5，所述第四表面背离所述荧光监测模块5。
76.在本技术实施例中，探头装置还包括：反射棱镜6，用于将所述荧光信号反射至所述荧光监测模块5。其中，一个所述侧面与所述激光监测模块4抵接，具体的，该侧面与第二滤波片41相贴合。另外，其余所述侧面至少一个对应所述反射棱镜6。如图5所示，金刚石样品2具有四个侧面，其中一个侧面与第二滤波片41贴合，其他三个侧面中，每个侧面均设置一反射棱镜6，将经侧面出射的荧光信号反射至所述荧光监测模块5。
77.优选的，如图9所示，图9为本技术实施例提供的一种反射棱镜的结构示意图，反射棱镜6直角反射棱镜，具体的，反射棱镜6为全反射棱镜。可选的，该全反射棱镜的斜面可以
设置反射膜7，能够提高荧光信号的反射率；其中，入射至全反射棱镜的荧光信号经反射膜7的反射，传输至第一滤波片51的表面，并经第一滤波片51被第一传感器52收集。。
78.优选的，反射棱镜6与金刚石样品2侧面贴合，同时与荧光监测模块5贴合，具体的，与第一滤波片51相贴合。进一步的，反射棱镜6的折射率大于空气的折射率，同时接近金刚石样品2的折射率甚至与金刚石样品2的折射率相同。
79.基于金刚石样品2的折射率大于空气的折射率，在金刚石样品2内部产生的荧光信号大多在金刚石样品2与空气的界面发生全发射，即nv色心形成的荧光信号大部分在金刚石样品2内部传播。反射棱镜6与金刚石样品2和荧光监测模块5贴合，且反射棱镜6的折射率与金刚石样品2的折射率相近，减少了荧光信号在不同介质传播中产生的信号损失。同时，反射棱镜6与金刚石样品2和荧光监测模块5贴合，避免了nv色心形成的荧光信号在金刚石样品2与空气界面发生全反射，进而提高了荧光信号的收集，且提高了装置内部的空间利用率，提高了探头装置的集成度。
80.另外，nv色心形成的荧光信号大部分在金刚石样品2内部传播，小部分荧光信号通过金刚石样品2的第三表面和第四表面出射，同时第三表面朝向所述荧光监测模块5，因此，经第三表面出射的荧光信号被荧光监测模块5收集。需要说明的是，在本技术实施例中，以金刚石样品2的形状是六面体为例进行说明，显然，本技术所述的方案同样适用于其他形状的金刚石样品2，本技术对此不作限定。
81.在本技术另一实施例中，参考图3，图3为本技术实施例提供的另一种探头装置的切面示意图。在本实施例所示的探头装置中，金刚石样品2的至少部分所述侧面为斜面，用于将所述荧光信号反射至所述第一滤波片51。优选的，探头装置还包括：位于所述斜面的反射膜7，用于将所述荧光信号反射至所述第一滤波片51。可选的，反射膜7的材质为金属或者电介质材料。
82.在该探头装置中，nv色心形成的荧光信号在金刚石样品2内部传播，经反射膜7反射至所述第一滤波片51。显而易见的，荧光信号传播的路径在金刚石样品2内部，消除了荧光信号在不同介质中传播带来的信号损失，进一步提高了荧光信号的收集率。另外，该探头装置无需设置反射棱镜6，能够提高探头装置的整体结构强度。
83.需要说明的是，以金刚石样品2为长方体为例进行说明，获取该斜面的方式为对金刚石样品2的侧边进行切割，切割后的金刚石样品2中三个面为棱台形状。
84.在本技术实施例中，所述微波辐射模块3为双开口环辐射结构，所述双开口环辐射结构包括第一辐射圆环和第二辐射圆环，所述第二辐射圆环至少部分包围所述第一辐射圆环；其中，所述第一辐射圆环包括第一开口，所述第二辐射圆环包括第二开口，所述第一开口的开口方向与所述第二开口的开口方向相反。
85.该双开口辐射结构中，第一辐射圆环保留有供激光信号入射的窗口，即第一辐射圆环包围区域。另外，金刚石样品2位于微波辐射模块3的表面上，激光器1位于微波辐射模块3背离金刚石样品2的一侧。激光器1产生的激光信号11经第一辐射圆环的窗口入射至金刚石样品2的表面。
86.该双开口环辐射结构能够在金刚石样品2所在的区域形成均匀微波辐射场。需要说明的是，本技术其他实施例中，可以采用其他形式的微波辐射结构，满足在金刚石样品2所在区域产生均匀微波辐射场的同时，不遮挡激光器1产生的激光信号11入射至金刚石样
品2的表面即可，均在本技术保护范围内。
87.参考图5、图7和图8，图7为图5中aa’的剖面结构示意图，图8为本技术实施例提供的一种支撑结构的结构示意图。在本技术实施例中，探头装置还包括：支撑结构9，该支撑结构9用于固定荧光监测模块5、激光监测模块4、金刚石样品2以及反射棱镜6等。如图5所示，支撑结构9使得激光监测模块4与金刚石样品2和荧光监测模块5相互贴合固定，金刚石样品2与激光监测模块4和反射棱镜6相互贴合固定，反射棱镜6与金刚石样品2和荧光监测模块5相互贴合固定。该探头装置采用直接接触的方式进行组装，无需其他连接部件，提高了探头装置的结构稳定性，不易受到震动等影响。同时，支撑结构9提高了探头装置的整体集成度，降低了探头装置的体积。
88.需要说明的是，图5中并未示出荧光监测模块5，但显而易见的，荧光监测模块5位于激光监测模块4表面上，且与反射棱镜6贴合，即第一滤波片51位于反射棱镜6的上方。
89.另外，在本技术实施例中，以图8所示的支撑结构9的形状为例进行说明，在其他实施例中，支撑结构9还可以为其他形状，满足将激光监测模块4与金刚石样品2和荧光监测模块5相互贴合固定，金刚石样品2与激光监测模块4和反射棱镜6相互贴合固定，反射棱镜6与金刚石样品2和荧光监测模块5相互贴合固定即可，本技术对此不作赘述。
90.需要说明的是，在本技术实施例中，图5所示的探头装置中并未设置基板8，但支撑结构9起到与上述基板8相同的支撑作用，因此在实际工艺中，可以设计对应的支撑结构9代替基板8，或者将支撑结构9与基板8一体化设置，本技术对此不作限定。
91.在本技术实施例中，对于探头装置的装配，可以使用3d打印、pcb制造等技术进行制作，或者通过微纳加工和微机电装配工艺进行制作，灵活度高且集成度高。另外，在整体装配过程中，金刚石样品2、反射棱镜6、第一滤波片51、第一传感器52、第二滤波片41以及第二传感器42之间紧密接触，排除气隙，保证了光信号的有效传导。
92.基于上述探头装置，本技术实施例还提供了一种磁力计，下面描述的磁力计可与上面描述的探头装置相互对应参照。该磁力计包括：如上述任一实施例所述的探头装置。
93.另外，该磁力计还包括：微波源，用于为微波辐射结构3提供控制信号。信号读出处理系统，用于对所述探头装置收集的信号进行读出，并进行数据处理。
94.综上所述，本技术技术方案提供的探头装置以及磁力计，设置反射棱镜或者反射膜将金刚石样品内部传播的荧光信号传输至荧光监测模块，提高了荧光信号的收集率。同时，本技术将将激光器、金刚石样品、微波辐射模块、激光监测模块以及荧光监测模块集成为探头装置，降低了装置的体积和功耗，提高了装置的集成度以及可靠性。另外，本技术还通过设置激光监测模块监测激光器的激光功率，可以通过后期噪声相消的方式实现信噪比的提升，进而降低甚至消除激光功率噪声的影响。
95.本说明书中各个实施例采用递进、或并列、或递进和并列结合的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的磁力计而言，由于其与实施例公开的探头装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见探头装置部分说明即可。
96.需要说明的是，在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定
的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
97.还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括上述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
98.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。