德思特应用 | 解密 NV 量子传感核心！扫频信号源如何赋能高精度磁场测量？

一、项目背景

量子传感技术正以超越传统传感的超高灵敏度，重塑医疗成像、资源勘探、工业检测等领域的精准测量逻辑。其中，基于金刚石 NV 中心的量子传感器，凭借对磁场、温度等物理量的纳米级探测能力，成为前沿科研与产业化落地的核心方向。

然而，NV 中心的自旋调控与精准感知，离不开关键核心器件的支撑 —— 扫频信号源作为微波激励与频率扫描的核心单元，其性能直接决定传感器的测量精度、响应速度与稳定性。从实验室研发标定到实际场景应用，扫频信号源如何赋能 NV 量子传感器发挥极致性能？本文将从原理到应用层层拆解。

二、NV 量子传感器概述

1.什么是 NV 中心

NV 中心是金刚石晶格中一种特殊的 “缺陷结构”，简单说就是一个氮原子替代了原本的碳原子，同时在相邻位置留下一个空位，两者组合形成的功能单元。

它最关键的特点是有独特的电子自旋状态（类似电子的 “能量档位”），既能被绿光（如 532nm）激发发光（红光，637nm），也能被微波调控自旋状态，还对周围的磁场、温度等环境变化特别敏感 —— 这让它成了量子传感的核心元件，能用来做高精度的磁场测量、纳米级成像等。

2.射频信号源如何用于NV量子传感器

• 测试阶段：信号源是 “传感器性能的标定工具”

在 NV 传感器研发或生产过程中，信号源主要用于测试和校准传感器的核心参数，确保其能正常工作。在 NV 量子传感系统中，扫频信号源充当可调频率微波激励源，负责在 NV 中心的共振频率附近进行扫描，以触发电子自旋的共振跃迁并获取光学探测磁共振（ODMR）谱。

• 实用阶段：信号源是 “传感器工作的驱动核心

当 NV 传感器实际用于测量磁场（或温度、电场等）时，信号源输出与 NV 共振频率匹配的微波（或扫频微波），根据共振频率偏移量与已知物理关系（如塞曼效应），反推被测物理量（如磁场强度）。没有微波信号源，NV 中心无法产生自旋跃迁，也就无法 “感知” 磁场变化。

三、扫频信号源的工作原理与技术规格

1.扫频信号源的基本工作原理

在连续波光学探测磁共振谱（CW-ODMR）中：核心是 “扫描频率，定位 NV 共振点

扫频信号源在 NV 量子传感中的核心工作原理是通过频率扫描实现 NV 中心共振频率的精确测定。NV 色心的 0 能级电子在微波激发下可以跃迁到 + 1 能级与 – 1 能级，引发跃迁的微波频率与能级间的能量差有关。

扫频过程的具体机制如下：当微波频率与 NV 色心电子能级的能量差不匹配时，电子聚集在 0 能级上，此时 NV 色心的荧光强度保持在较高水平；而当微波频率接近共振频率时，NV 色心的 0 能级电子会有一部分跃迁到 – 1 能级与 + 1 能级上，表现为 NV 色心的荧光强度降低。

在扫频过程中，会发生两个波谷，对应 + 1 和 – 1 的共振频率，而这个波谷的频率差就对应外加磁场频率。通过精确测量这些共振频率，可以反推出外部物理量的大小。

2.扫频信号源的关键技术参数

从以上描述可以看出，扫频信号源的技术参数直接影响 NV 量子传感器的性能。那么对当前扫频信号源的主要技术参数包括：

• 频率范围：扫频信号源需覆盖 NV 中心可能的共振频率范围，通常为 2.7-2.9 GHz，以适应不同磁场、温度等条件下的频率偏移。
• 频率分辨率：为实现高灵敏度测量，扫频信号源需要有足够小的频率步长。例如，在 CMOS NV 磁强计中，最小扫频步长可达 50 kHz，可用于检测 |~B|<0.9 μT 的磁场。
• 扫频速度：扫频速度影响测量效率。在快速扫描系统中，像素速率可达 100 Hz，图像分辨率超过 1 兆像素。在 NV 量子成像中，每个像素对应一次独立的 ODMR 谱扫频测量。像素速率 100 Hz → 每秒完成 100 个像素的扫频测量；

“单个像素的扫频周期 = 1/ 像素速率 = 1/100 Hz = 10 毫秒。”

这一周期直接决定了扫频信号源的核心时间尺度 —— 即完成单次完整扫频（覆盖目标频段）的时间为毫秒级。

• 相位噪声：低相位噪声是关键要求。在 2.87 GHz 中心频率附近 1 MHz 偏移处，相位噪声应低于 – 114.5 dBc/Hz。

四、总结

量子传感技术正加速突破高精度测量的边界，NV 量子传感器凭借超高灵敏度成为磁场、温度等物理量检测的核心方案，而德思特Vaunix扫频信号源作为其 “驱动与标定核心”，直接决定传感系统的性能上限。 

从实验室研发到产业化落地，扫频信号源的技术迭代与参数优化，始终为 NV 量子传感的精准性保驾护航。如果您正深耕量子传感领域，需适配 NV 中心的高性能信号源解决方案，欢迎联系我们，以硬核技术共推量子传感产业迈向新高度！