室温金刚石NV色心共聚焦实验平台

光学部分
微波部分
- 设备
- - 射频信号源：
  - 示波器、光谱分析仪
  - 任意波形发生器（AWG）：
  - 光谱仪（Spectroscope）
  - - 预备知识
    - 光谱仪的性能参数
  - 前置放大器
  - 锁相放大器
磁场部分
参考文献

该草稿旨在记录在自主搭建 室温金刚石NV色心共聚焦平台过程中的点点滴滴。包括：前期原理学习、仪器调研和搭建过程等。目前还在调研阶段。

光学部分

微波部分

设备

射频信号源：

对于光学探测磁共振谱（ODMR）和（PDMR），微波源在2800MHz-3000MHz之间扫频，频率变化的最小单位（步长）为1MHz。随后将记录到的100-200个光谱进行平均。 [^Nat. Commun. 6, 8577 (2015)]

示波器、光谱分析仪

适用的信号类型不同

示波器的主要用途是用来观察信号的时域特性（也就是电压随时间的变换特性），主要适用于基带信号的分析（正弦波、方波、比特流等未调制信号）。

频谱分析仪主要针对于射频信号（尤其是带了调制的复杂信号或者多频率信号，这样的信号在时间轴上几乎看不到任何规律）的分析，虽然示波器也可以通过傅里叶变换（FFT）从频域上显示信号，但是它的性能不足以分析射频的、带调制的信号。

测量的带宽不同

示波器的设计主要用来观察基带信号，一般带宽不是很宽，最常见的是几十到几百MHz。一些中高档的示波器带宽也可以达到GHz的量级。

频谱分析仪主要用于分析载波及调制了的信号，所以一般频谱分析仪的带宽在GHz量级。

待测内容不同

示波器观察的是电压随信号的变换，一般看到的是正弦波、方波、比特流等，关注电压、周期、上升/下降沿、过冲、毛刺以及多路信号间的时序等特征。

频谱分析仪看的是射频信号的功率、频率、失真（谐波和互调产物），调制后的带、

灵敏度不同
动态范围不同

任意波形发生器（AWG）：

光谱仪（Spectroscope）

现代测量中，所有的物理量最终都转换为电压或者光强进行记录和处理，分别称之为电信号/光信号。
光谱学是光学的一个分支学科，研究各种物质的光谱的产生及其同物质之间相互作用。光谱学测量紫外、可见、近红外波段光强度的技术。

预备知识

信号
一般来说，信号是运载信息的工具，是信息的载体。从广义上讲，它包含光信号、声信号和电信号等。在信息理论中，信号是一种信息流，任何携带信息的物理量都可以作为信号，大部分信号都可以表述为时间、空间波长等物理量的函数。例如测量光谱的时候，光强相对于波长的函数既是待测量，即信号。

带宽：频谱所包含的频率范围。

噪声
信号中的信息通常伴随着噪声。从物理角度看，噪声是无规律、杂乱无章的信息。一般指背景对信号的一种随机干扰，往往被扩展为与所需信号相冲突的信号。

白噪声

1/f噪声

信噪比（SNR）
表征信号与噪声的比值。这里面的信号指的是来自设备外部需要通过这台设备进行处理的电子信号，噪声是指经过该设备后产生的原信号中并不存在的无规则的额外信号（或信息），并且该种信号并不随原信号的变化而变化。同样是“原信号不存在”还有一种东西叫“失真”，失真和噪声实际上有一定关系，二者的不同是失真是有规律的，而噪声则是无规律的。信噪比的计量单位是dB，其计算方法是10lg(PS/PN)，其中Ps和Pn分别代表信号和噪声的有效功率，也可以换算成电压幅值的比率关系：20Lg(VS/VN)，Vs和Vn分别代表信号和噪声电压的“有效值”。狭义来讲是指放大器的输出信号的功率与同时输出的噪声功率的比，常常用分贝数表示，设备的信噪比越高表明它产生的噪声越少
谱线是均匀且连续的光谱上明亮或黑暗的线条，起因于光子在一个狭窄的频率范围内比附近的其他频率超过或缺乏。

谱线通常是量子系统（原子、分子或原子核）和单一光子相互作用产生的。当光子的能量原子内部能级变化所需要的能量匹配时，光子被吸收。然后，光子再自发的发射，可能与原来相同的频率或是阶段式的，但光子发射的总能量将会吸收的总能量相同，而发射光子的方向与吸收光子的方向没有任何关联。
根据气体、光源和观测者之间的几何关系，看见的光谱将会是吸收谱线或发射谱线。如果气体位于光源和观测者之间，在这个频率上的光的强度会被削弱，而再大多数发射光子绝大多数与吸收光子方向不同，因此观测者看见的是吸收谱线。如果观测者看着气体，但是不在光源的方向上，这时观测者只会在狭窄的频率上看见发射光子，因此看见的是发射谱线。

光谱仪，又称分光仪、分光镜，是一种用于测量电磁光谱特定部分光属性的仪器，通常用于光谱分析以识别材料。测量的变量通常是光的强度，但也可能是偏振状态。自变量通常是光的波长或与光子能量成正比的单位，例如倒数厘米或电子伏特，其与波长具有倒数关系。

光谱仪在光谱学中用于产生光谱线并测量其波长和强度。光谱仪可以在很宽的非光学波长范围内工作，从伽马射线 和X射线 到远红外线。如果仪器被设计在绝对尺度上而不是相对尺度上测量光谱，那么它通常被称为分光仪。大多数分光仪用于可见光谱附近的光谱区域。

以光栅光谱仪为例，光入射后经过准直镜成平行光打到光栅上，不同波段的光被分开来，在经过聚焦镜聚焦被探测器接收光谱信息。

光谱仪的性能参数

波长范围

光谱仪所能测量的波长区间。选择不同的光栅以及探测器会影响光谱仪的波长测量范围。一般来说，两个参数指标相互制衡，波长范围越窄，光谱仪的波长的分辨率越高。如果同时需要宽波长测量范围和高波长分辨率，应选择多通道光谱仪。

波长分辨率

表征光谱仪能够分辨波长的能力。

焦距

指聚焦镜的焦距长度，在其他条件相同的条件下，焦长越长，光谱仪的分辨率也越高，同时通光量也越小。

噪声等效功率（Y轴上可以测量的范围）

当信号的值与噪声的值相当时，从噪声中分辨信号就变得非常困难。一般用与噪声相当的信号的值（光谱辐照度或光谱辐亮度）来表征一个光谱仪所能够测量的弱的光强（Y轴的MIN值）。噪声等效功率越小，光谱仪就越可以测量更弱的信号。

动态范围

表征光谱仪所能够测量到的最强的信号和最弱的信号的比值。最强的信号为光谱仪在信号不饱和情况下，测量到的最大值；最弱的信号用上述的噪声等效功率来衡量；动态范围主要受限于探测器。动态范围是影响方便性的一个比较关键的指标。目前光谱仪都是通过调整积分时间的方式等效地来扩大动态范围，因此动态范围一般不会对用户的测量带来干扰。

灵敏度

表征光谱仪把光信号变成电子学信号的能力，高的灵敏度有助于减小电路本身的噪声对结果的影响。

信噪比

光谱仪的信噪比：光谱仪在强光照射下，接近饱和时，信号的平均值与信号偏离平均值的抖动（以标准偏差横向）的比。光谱仪的信噪比主要受探测器限制，通过光谱仪电路的平均功能累加信号，可以提高实际测量中的信噪比。

干扰和稳定性

实际光谱仪与理想光谱仪的重要区别之一是其内部存在杂散光的干扰。杂散光会影响信号的准确性，并对测量弱信号带来麻烦。

光谱仪的光路和探测都不可避免地随着环境而变化。例如，环境温度的变化会导致光谱仪波长（X轴）的漂移。

采样速度和时序精度

顾名思义，采样速度表征一秒钟可以采集多少个完整的光谱；时序精度表征最小的时间测量单元，光谱仪必须具备良好的时序性能方能捕捉到很短的脉冲信号，最好的能够达到 ns 量级。

前置放大器

锁相放大器

磁场部分

参考文献

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