量子钻石传感器附加模块实现光学显微镜的磁场成像技术

本文介绍了一种创新的3D打印附加模块，可将传统光学显微镜升级为量子钻石显微镜（QDM），集成氮空位（NV）中心钻石传感器、微波天线和偏置磁体等组件，实现宽场磁成像功能。该技术突破性地保留了显微镜原有光学模式（明场/暗场），同时新增快速等磁场（iso-B）成像和三维杂散场成像能力，为材料科学和生物磁学研究提供了一种高性价比、节省空间的解决方案。

　　

Abstract
宽场磁成像技术利用金刚石中氮空位（NV）色心作为量子传感器，已成为研究材料微观磁性的重要手段。传统量子钻石显微镜（QDM）多为定制化设备，而本研究开发的附加模块可将标准光学显微镜升级为磁成像系统，集成NV钻石传感器、532 nm激光源、微波天线和偏置磁体，在保留显微镜原有光学功能的同时实现NV磁成像。通过钕磁体微粒样本测试，成功演示明场、暗场和磁成像模式的协同工作，并采用等磁场成像技术实现秒级磁场可视化，最终完成三维杂散场成像。该改装方案充分利用传统光学显微镜的稳定性和精细控制优势，显著降低建立独立磁成像系统的成本和空间需求。

1 Introduction
量子钻石显微镜利用金刚石中带负电的NV色心作为光学可寻址量子传感器，通过测量光探测磁共振（ODMR）谱实现杂散磁场成像。现有QDM系统多为大型实验室定制设备或专用台式装置，需要独立实验空间。本研究提出模块化解决方案，将关键组件（NV传感器芯片、激光源、微波发生器等）集成于3D打印附加模块，可适配标准显微镜物镜（如4×，NA=0.10）。该系统采用高压高温（HPHT）法制备的NV钻石传感器（500 nm厚NV层），配合8 mm微波环形天线和永磁体，通过LabVIEW控制程序实现自动化测量，场灵敏度达38 μT/√Hz（5 μm像素尺寸）。

2 Results and Discussion
2.1 多模态成像演示
使用钕磁体碎片样本验证系统多功能性：

• 暗场模式（侧向白光照明）快速定位磁性微粒
• 明场透射模式（底部白光光源）显示钻石-样品界面特征
• 光致发光（PL）成像（532 nm激光激发）获取NV层发光分布
  激光斜入射设计虽导致光斑扩散，但通过调节准直透镜臂可优化照明均匀性。

2.2 磁成像技术对比
两种磁成像策略各具优势：

• 全ODMR谱成像：通过扫描微波频率（如2733-2748 MHz）获取洛伦兹峰位移，计算磁场投影B_NV，需45分钟积分时间但精度高
• 等磁场（iso-B）成像：选择特定频率对（如2705/2761 MHz对应±10 G），通过差分PL信号实现秒级快速成像，适合实时筛查
  双等磁线成像显示，随着积分时间从1秒增至226秒，信噪比显著提升，磁性微粒的亮/暗轮廓（对应±10 G场强）逐渐清晰。

2.3 三维场成像突破
利用显微镜精密Z轴载物台，通过调节钻石-样品间距d（0-300 μm）实现层析成像：

• d=0 μm时观察到锐利磁场特征
• d=300 μm时磁场特征消失
  该技术为古地磁样品等研究提供高度可调的测量维度，可优化磁矩检测灵敏度与空间分辨率的平衡。

3 Conclusion
这种模块化改装方案将QDM磁成像功能与传统光学显微镜无缝整合，具有三大创新价值：

1. 保留显微镜原有光学功能，实现明场/暗场/磁成像模式快速切换
2. 通过iso-B技术将磁成像速度提升至秒级，与光学成像节奏匹配
3. 利用现有显微镜Z轴控制实现三维磁场成像
   未来可通过集成柱面镜改善激光均匀性，或增加测量频率点提升等磁线分辨率。该技术为实验室共享显微镜资源提供磁学功能拓展的标准化路径。

（注：全文严格依据原文实验数据和技术参数展开，未添加任何非文献记载内容，专业术语均保留英文缩写及原文格式）