高頻率分辨的金剛石氮-空位色心寬頻譜成像技術*

申圓圓 王博 柯冬倩 鄭斗斗 李中豪 溫煥飛 郭浩 李鑫 唐軍 馬宗敏? 李艷君伊戈爾?費拉基米羅維奇?雅明斯基 劉俊?

1) (中北大學,省部共建動態測試技術國家重點實驗室,太原 030051)

2) (中北大學半導體與物理學院,太原 030051)

3) (中北大學,量子傳感與精密測量山西省重點實驗室,太原 030051)

4) (太原工業學院電子工程系,太原 030008)

5) (日本大阪大學,工學研究科精密科學應用物理學,大阪 5 650871)

6) (俄羅斯國立莫斯科大學先進技術中心,莫斯科 119311)

高分辨率寬頻譜測量技術在天文學、無線通信、醫學成像等領域具有重要應用價值.金剛石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心因其高穩定性、高靈敏度、實時監測、單點探測以及適用于長時間測量等特性已成為頻譜分析儀備受關注的選擇.目前,基于NV 色心作為探測器的寬頻譜分析儀能夠在幾十GHz 頻帶內進行實時頻譜分析,然而其頻率分辨率僅達到MHz 水平.本文通過搭建結合連續外差技術的量子金剛石微波頻譜成像系統,利用磁場梯度對NV 色心諧振頻率進行空間編碼,成功獲取了900 MHz—6.0 GHz 范圍內完整的頻譜數據.在可測頻譜范圍內,系統進一步采用連續外差的方法,同時施加諧振微波和輕微失諧的輔助微波對NV 色心進行有效激發,增強了NV 磁強計對微弱微波信號的響應.該方法使系統在可測頻譜范圍內實現了1 Hz 的頻率分辨率,并能夠對間隔為1 MHz 掃頻步進的多個頻點的頻率分辨率進行單獨測量.以上研究結果表明基于NV 色心的寬頻譜測量可實現Hz 級頻率分辨,為未來的頻譜分析和應用提供了有力的技術支持.

1 引言

目前,在微波(microwave,MW)探測領域,對頻譜分辨率的研究已經取得了重要成果,并且這些成果在天文學[1]、無線通信[2]以及醫學成像[3]等多個現代應用領域具有廣泛前景.過去幾十年中,多種量子傳感器技術已經取得顯著進展,包括頻譜分析儀[4]、超導量子比特、量子糾纏傳感器[5]以及金剛石氮-空位(nitrogen-vacancy,NV)色心傳感器[6].其中,NV 色心傳感器因其在常溫和室溫條件下可操作[7]、對微波探測表現出高度靈敏性[8]、能夠在微小體積內實現單點探測[9]、具備實時監測微波場變化的能力以及可持續監測微波信號等特性,從而成為構建高分辨率微波頻譜測量的極具吸引力的技術[10].

近年來,Chipaux 等[11]詳細地研究了利用NV色心自旋相關光學特性進行微波信號頻譜分析的原理.然而,由于磁場梯度振幅和可用NV 色心數量等因素的限制,該方法僅能夠實時分析600 MHz頻帶內的信號,并且其頻率分辨率僅為7 MHz.隨后,Ludovic 和Thierry[12]以及Magaletti 等[13]通過對實驗平臺架構進行精細優化,成功實現了對數百mT 強磁場的精準控制,并將其與NV 色心的晶格軸對準.他們進一步實現了對頻率高達幾十GHz 微波信號的實時分析,然而,其系統頻率分辨率僅達到1 MHz 水平.為了提高頻率分辨率,Meinel 等[14]提出了一種外差檢測微波的方法,該方法利用調制場、脈沖Mollow 吸收和Floquet 動力學,以精確控制微波場與雙能級系統的相互作用,最終實現了低于1 Hz 的頻率分辨率.然而,這一方案依賴于復雜的脈沖控制技術,對實驗條件和系統穩定性提出了高要求.為了克服這些挑戰,Wang 等[15]提出了一種連續外差檢測方案,無需復雜脈沖控制,可實現0.1 mHz 的頻率分辨率,然而,這種方法僅對頻率為2.90 GHz 的微波信號進行了頻率分辨率測量.因此,目前對于采用連續外差技術對NV 色心進行微波寬頻譜分辨率測量的有效性進行系統性研究的文獻報道相對較少,亟需對其展開深入的系統性研究.

基于以上研究背景,本文提出了一種采用連續外差對寬頻譜分析的方法.該方法利用金剛石NV 色心的自旋相關性質,并通過外部靜態磁場梯度對NV 色心的共振頻率進行空間編碼.通過使用CMOS 相機采集圖像并經過算法處理,成功地在頻率范圍為900 MHz—6.0 GHz 之間獲取了完整的頻譜數據.隨后,通過采用連續外差技術,同時施加諧振微波和輕微失諧的輔助微波對NV 色心進行激發,在可測頻譜范圍內實現了1 Hz 的頻率分辨,并且能夠在該頻譜范圍內對間隔為1 MHz掃頻步進的多個頻率點的頻率分辨率進行單獨測量.基于該技術顯著提高了寬頻譜的頻率分辨率,這一研究成果為更準確的頻域信息獲取提供重要的支持,進一步推動相關領域的研究和應用發展.

2 實驗原理和裝置

2.1 實驗原理

NV 色心是金剛石中的一種晶格缺陷,由一個替代碳原子的氮原子和一個鄰近的空位組成[16].如圖1(a)所示,NV 色心的基態是一個自旋三重態,在單重態ms=|0〉與雙重態ms=|±1〉之間具有D=2.87 GHz 的零場分裂[17,18].激發態3E的零場劈裂為1.41 GHz[19],同樣為自旋三重態.其中ms表示沿著NV 的本征量子化軸的自旋投影.NV 色心可以被532 nm 的激光連續從3A2激發到激發態3E,然后退激發回到3A2態并發出熒光.處于激發態3E 的NV 色心有兩條主要的退激發途徑,其中之一是發射熒光回到基態,另一條途徑是通過ISC(intersystem crossing)機制,經由單態1A1和1E回到基態,這一個過程不輻射熒光.在光照條件下,由于自旋選擇性的系統間交叉,NV 缺陷被有效地極化到ms=|±1〉和ms=|0〉態.通常處于ms=|0〉態的NV 色心被激發后,其退激發所產生熒光光子的概率更大.此外,由于系統間交叉躍遷是非輻射的,當ms=|0〉態被填充時,NV 缺陷的光致發光明顯增強,從而能夠通過光學檢測實現對光探測磁共振(optically detected magnetic resonance,ODMR)的探測[20,21].

圖1 NV 色心頻譜分析 (a) NV 色心能級圖;(b) 沿D 軸向金剛石晶體施加磁場梯度;(c) 在金剛石晶體表面不同位置,磁場梯度引起塞曼效應導致相應的ODMR 信號產生;(d) 使用相機對圖像進行采集并將其保存為三維數據;(e) 利用算法擬合將圖像存儲格式從三維數據轉變為二維數據,在整個磁梯度范圍內,通過拼接圖像來生成對應的頻譜圖像;(f) 測量可測頻譜范圍內的任意頻點的頻率分辨率Fig.1.NV center spectral analysis: (a) Energy level diagram of the NV center;(b) application of a magnetic field gradient along the D-axis of the diamond crystal;(c) magnetic field gradient induces the Zeeman effect at different positions on the surface of the diamond crystal,resulting in corresponding ODMR signals;(d) acquisition of images using a camera and conversion into three-dimensional data;(e) utilization of an algorithm for fitting,transforming the image storage format from three-dimensional data to two-dimensional data,and generating the corresponding spectral images across the entire magnetic gradient range;(f) measurement of frequency resolution at arbitrary frequency points within the measurable spectral range.

基于NV 色心的頻譜分析儀的原理依賴于利用磁場梯度對NV 色心諧振頻率進行空間編碼.如圖1(b)所示,通過使用光學泵浦方法,將532 nm綠色激光照射在金剛石NV 色心上,并利用球形磁鐵(supermagnet K-13-C)沿金剛石晶體一個方向施加已知的磁場梯度.通過調節磁場梯度的大小和方向,可以實現對NV 色心共振頻率的空間編碼.如圖1(c)所示,在金剛石表面的不同位置,磁場梯度引起塞曼效應導致相應的ODMR 信號產生.待測的微波信號通過天線傳輸至經激光激發的金剛石區域,同時使用相機捕捉NV 色心發出的熒光信號.如圖1(d)所示,相機所捕獲的圖像中,特定區域有熒光強度明顯降低的現象,這表明該區域存在與NV 色心共振特性相匹配的微波信號的光譜分量.在圖像采集過程中,需要確保避免圖像過曝光的情況發生.通過精確的編程控制,該系統實現了微波源和相機的同步操作.采集得到的圖像數據以三維矩陣{X,Y,F}的形式存儲,其中X和Y分別代表單個圖像的行和列像素數量,F表示每張圖像對應的不同頻率點.隨后,對圖像中每個像素關于F維度的信息進行了Lorentzian 函數的擬合.所使用的擬合函數如(1)式所示:

其中A是峰值的振幅(通常為1),C是對比度,f0是共振頻率,w是線寬.通過擬合過程記錄每個像素對應的諧振頻率f0.隨后,將每個圖像(1008 像素×64 像素)的數據合并為一行(1008 像素×1 像素),以提高信噪比并改善擬合精度,從而提高數據采集的精確度,實驗中使用的相機像素尺寸為3.45 μm×3.45 μm.因此,如圖1(e)所示,圖像數據的存儲格式從三維矩陣轉變為二維矩陣.在整個磁梯度范圍內,可以通過對圖像進行簡單地拼接,從而生成對應的頻譜圖像.

在高頻率微波信號測量過程中,通常要求使用高功率的微波輻射源.然而,這一操作通常會導致ODMR 線寬的展寬,進而降低了寬頻譜微波測量的頻率分辨率.本文探討了一種通過微調輔助微波信號的頻率,以引入頻率差(δ)的方法來克服這一問題.在一般情況下,將NV 色心視為二能級系統,其中微波信號MW1(a1cosωt)與狀態 |0〉→ |1〉的諧振轉換頻率相對應.當MW1足夠強時則會發生拉比振蕩.然而,當拉比頻率小于非均勻躍遷線寬時,共振吸收效率變得低效,甚至失去對微波場a1的一階響應.在這種情況下,NV 磁強計從場檢測(∝a1)降級為能量檢測(∝).隨著MW1的減小,振蕩減慢最終指數衰減.這一現象表明激光誘導的極化過程與微波誘導的自發弛豫之間存在競爭,導致了自旋態的平衡.進一步研究表明,通過同時施加兩路微波信號,即諧振微波MW1(a1cosωt)與輕微失諧的輔助微波MW2(A1cos[(ω+δ)t+φ])對NV 色心進行激發,將引發微波干擾效應.這種微波干擾破壞了激光誘導的極化與微波誘導的自發弛豫之間的競爭平衡態.因此,微波干擾導致熒光強度出現衰減和振蕩[15].具體而言,微波干擾引發了熒光信號相位和幅度的變化,進而導致交流熒光信號的生成.如圖1(f)所示,在連續激光照射金剛石NV 色心的情況下,施加單路微波NV色心熒光值降到最低,當關閉微波之后,NV 色心熒光值緩慢恢復到初始值.同時施加兩路微波,產生了交流熒光信號,交流熒光信號頻率為兩個頻率的差值,振幅∝A1a1,證明了對微波信號MW1的響應振幅被放大了約A1/a1倍,這種熒光信號的振蕩現象源于諧振微波信號與輕微失諧的輔助微波信號之間的相互干擾.然而,熒光響應微波場的變化速度受到一定的限制,而時域內有限的響應速度對應于頻域內的有限帶寬.

2.2 實驗裝置

實驗系統示意圖如圖2 所示,由光路系統、微波系統、磁場系統、同步控制系統以及數據處理系統構成.實驗系統的核心組件是尺寸為3.5 mm×3.5 mm × 0.2 mm (110) 的單晶CVD (chemical vapor deposition)金剛石樣品,經過高溫高壓工藝制備而得.該樣品的初始氮濃度小于1×10–4,在(10 ± 0.5) MeV 電子輻照下處理4 h 后,經過600 ℃高溫真空退火1 h,隨后進行30 min 保溫,最后升溫至800 ℃進行4 h 真空退火以完成制備.在實驗中,光路系統將激光器產生的532 nm 連續激光對金剛石NV 色心進行光學激發.為了確保激光準確照射到金剛石晶體內部,采用了一組透鏡來形成平行光,對激光光束有效聚焦.隨后,使用10 倍顯微物鏡來采集金剛石NV 色心發出的紅色熒光信號,并利用濾波片進行光譜濾波,最后,在CMOS相機前端安裝鏡頭,借助其將收集到的熒光信號聚焦在CMOS 相機上進行采集.在此過程中,該系統使用的激光器光功率約為200 mW,用于形成平行光的一組透鏡焦距分別為100 mm 與50 mm,鏡頭焦距為75 mm.

圖2 實驗裝置系統Fig.2.Experimental Setup System.

微波掃頻頻率以及輕微失諧的輔助微波由微波源連接至直徑為2 mm 的環形天線,以產生均勻的微波場.可施加頻率范圍為9 kHz—6 GHz,掃頻微波步進為1 MHz.磁場由直徑為13 mm 的球形磁鐵提供,該磁鐵具備在1 T 范圍內提供磁場的能力.在實驗中,為了實現幾GHz 級的塞曼位移,需確保金剛石NV 軸與磁場方向嚴格對齊.因此,將CVD 金剛石樣品安裝在三軸位移臺上,以使其頂面與 (110) 晶面平行.同時,球形磁鐵被安裝在另一個獨立的三軸位移平臺上,以便于對金剛石NV軸與磁場的對齊進行精確調整.

同步控制系統通過控制微波源掃頻步進與相機曝光和圖像儲存時間根據序列進行循環同步,為了確保圖像的準確采集,單組數據進行了200 次測量平均.在采用連續外差方法對微波頻譜的頻率分辨率進行測量時,同步控制系統通過同時調控兩臺微波源施加諧振微波和輕微失諧的輔助微波對NV 色心進行有效激發.數據處理系統將相機保存的圖片數據根據采集時間逐張提取并保存為一個三維矩陣,通過MATLAB 算法,利用Lorentzian函數的擬合將圖像數據的存儲格式從三維矩陣轉變為二維矩陣,從而生成微波頻譜圖像.

3 實驗結果與討論

3.1 NV 晶軸與磁場矢量方向的關系

在進行微波頻譜測量時,需通過已知磁場信息計算得到待測微波的頻率范圍.當磁場沿著NV 軸施加時,NV 色心的諧振頻率可由(2)式計算得到:

其中D≈ 2.87 GHz 是NV 色心電子自旋的零場劈裂值,γ=28 GHz/T 是電子自旋旋磁比,BNV是平行于NV 軸的磁場分量.

在實驗過程中,通過將磁鐵與金剛石晶體保持約1 cm 的距離.如圖3(a)所示,當磁場方向與金剛石中4 個NV 軸未完全對準時,可以觀察到4 對ODMR 譜線,每對譜線對應于金剛石晶體內不同可能軸向的NV 色心.近似平行于磁場方向的NV 軸上具有最強的塞曼位移,然而,由于這一NV軸未完全與磁場方向對準,其他3 個NV 軸在這一特定軸向上具有略微不同的磁場投影和塞曼位移.為了實現磁場方向與NV 軸對齊,需要對磁鐵和金剛石晶體之間的相對取向進行調整.如圖3(b)所示,可以觀察到有2 對ODMR 譜線.鑒于存在多種可能讓ODMR 呈現為2 組峰,因此需要通過對ODMR 譜峰位置反解來確定磁場方向是否與NV 軸對齊.完成磁場與NV 軸的精確對準后,可以提高測得的ODMR 譜的信號強度.

圖3 調整磁場與NV 軸對準的過程 (a) ODMR 成像呈現了四組譜線,對應于磁場方向與NV 色心的4 個軸向均未對齊;(b) ODMR 成像顯示了兩組譜線,其中三組譜線重疊,對應于磁場與某一NV 軸對齊Fig.3.Process to align magnetic field and NV centers: (a) ODMR imaging presents four sets of spectra,corresponding to a misalignment of the magnetic field with all four axial directions of the NV centers;(b) ODMR imaging displays two sets of spectra,with three of them overlapping,indicating alignment of the magnetic field with a specific NV axis.

3.2 寬頻譜微波測量

在本實驗中,首要步驟是確保磁場方向與NV軸的精確對準,隨后,通過調整磁鐵與金剛石之間的距離,實現對金剛石表面磁場梯度的精細調控.為了實施這一操作,采用了攜帶磁鐵的三軸位移臺對其進行微調.在逐漸調整磁場的過程中,進行了一系列ODMR 成像實驗,用于對磁鐵距離金剛石的不同位置進行觀測,從而逐步建立了磁場梯度的分布情況.如圖4 所示,通過位移臺對磁鐵進行移動,將其精確地定位于距離金剛石不同的四個位置,然后進行微波頻譜測量.通過將這4 個不同位置測得的實時微波頻譜簡單拼接,成功獲取了3.50—6.00 GHz 的寬頻譜數據.在這種情況下,磁場梯度最大值接近10.5 T/m,且頻帶寬度達到1 GHz.該系統允許在900 MHz—6.0 GHz 的頻率范圍內進行掃描,以實時監測電子自旋共振過渡從基態到激發態的變化.

圖4 疊加磁鐵在不同位置相對應的微波頻譜圖像Fig.4.Overlay microwave spectroscopy images corresponding to magnets positioned at different locations.

3.3 寬頻譜下頻率分辨率的測量結果

該系統的頻率分辨率與NV 色心的共振線寬密切相關,其主要受到以下因素的影響: 金剛石NV色心的零場ODMR 譜線寬、微波功率引起的功率展寬效應以及磁場梯度導致的不均勻展寬.如圖5(a)所示,在實驗中使用的CVD 金剛石樣品的NV 色心的零場ODMR 譜線寬約為7.8 MHz.這表明金剛石樣品本身較大的零場ODMR 譜線寬對系統的頻率分辨率測量產生了顯著的影響.在圖5(a)中,測得的NV 色心的零場ODMR 譜線中心頻率為2.83 GHz,與理論值2.87 GHz 存在一定差異.這主要是由于實驗環境中的溫度變化、局域電磁場波動,以及金剛石NV 色心的電子能級結構受到晶格缺陷和雜質的影響,共同導致了實驗測量誤差.另一個導致共振線寬展寬的因素如圖5(b)所示,通過位移臺移動磁鐵,在確保磁場方向與NV 軸精準對齊的情況下,施加約60 G (1 G=10–4T)的磁場,從而在3.02 GHz 處測得最大諧振頻率點.在保持激光功率恒定為200 mW 的條件下,逐漸增加在3.02 GHz 處施加的微波功率,從–30 dBm逐漸增大到30 dBm.實驗過程中可觀察到ODMR的線寬也相應增加.這限制了系統能夠實現的最佳頻率分辨率.由于本系統在進行高頻率微波測量時采用球形磁鐵施加磁場梯度,并施加了30 dBm 的微波功率,高微波功率和磁場梯度的使用限制了系統對微波的實時檢測能力,進而導致了頻率分辨率的降低.

圖5 NV 色心共振線寬不均勻展寬原因 (a) NV 色心零場ODMR 譜;(b) 在3.02 GHz 處不同微波功率下的ODMR 的單峰曲線Fig.5.Causes of non-uniform broadening of NV center resonance linewidth: (a) Zero-field ODMR spectrum of NV centers;(b) single-peak curves of ODMR at 3.02 GHz under different microwave powers.

為提高系統的頻率分辨率,本文采用了連續外差的實驗方法.在可測量頻譜范圍內,通過兩臺微波源同時施加諧振微波和輕微失諧的輔助微波對NV 色心進行有效激發,從而實現對微弱微波信號的檢測.該方法通過在可測頻譜范圍內選取任一諧振頻點f1,其中一臺微波源固定在頻率f1,而另一臺微波源被固定在頻率f1+?f,用于產生微波干擾.這種干擾破壞了激光誘導的極化與微波誘導的自發弛豫之間的競爭平衡態,導致熒光信號出現振蕩.如圖6(a)所示,在可測頻譜范圍3.50—3.80 GHz內,通過設置一臺微波源的頻率為3.50 GHz,用于施加諧振微波.同時,另一臺微波源在諧振頻率點3.50 GHz 的基礎上分別增加1000,100,10,5,1,0.1 Hz,用于施加輕微失諧的輔助微波.在實驗過程中,通過編程控制兩臺微波源同時作用,可以觀察到該系統通過將總測量時間t延長到1 s,從而將頻率分辨率提高到了1 Hz.通過對實驗數據進行傅里葉變換,如圖6(b)所示,從頻域角度可以直觀地觀察到系統在3.50 GHz 諧振頻點頻率分辨率達到1 Hz.

圖6 頻率分辨率測量結果 (a) 在可測頻譜范圍內選取與3.50 GHz 頻率差為1000,100,100,5,1,0.1 Hz 的頻率點的外差實驗時域測量結果;(b) 在可測頻譜范圍內選取與3.50 GHz 頻率差為1000,100,100,5,1,0.1 Hz 的頻率點的外差實驗頻域測量結果;(c) 在可測頻譜范圍內多個諧振頻率點的頻率分辨率測量結果Fig.6.Frequency resolution measurement results: (a) Time-domain measurement results of heterodyne experiments at frequency differences of 1000,100,100,5,1,0.1 Hz relative to 3.50 GHz within the measurable spectral range;(b) frequency-domain measurement results of heterodyne experiments at frequency differences of 1000,100,100,5,1,0.1 Hz relative to 3.50 GHz within the measurable spectral range;(c) frequency resolution measurement results of multiple resonant frequency points within the measurable spectral range.

隨后,如圖6(c)所示,在3.50—3.80 GHz 頻譜范圍內選取間隔為1 MHz 掃頻步進的6 個不同的諧振頻點,分別為3.50,3.501,3.502,3.503,3.505,3.506 GHz,并對其頻率分辨率進行測量.首先,利用一臺微波源將其頻率設置為3.50 GHz,對應于諧振頻率點.同時,另一臺微波源用于施加輕微失諧的輔助微波信號,其頻率設定在3.500000001 GHz,這種微小的頻率變化是為了引入微弱的頻率差.通過精確的編程控制,在1 s 的時間內,同時啟用這兩臺微波源作用于金剛石樣品,在第1 個2 s 的作用周期內,僅在3.50 GHz 的頻點處引入微波干擾,導致熒光信號的振蕩,而其他頻點熒光信號保持不變.第1 個2 s 作用周期結束后,通過編程控制,兩臺微波源頻率分別躍升至3.501 GHz 與3.501000001 GHz,在 第2 個2 s 作用周期內,僅在3.501 GHz 頻點處觀察到熒光信號產生振蕩,而其他頻點處的熒光信號沒變.然后,在第2 個2 s 作用周期結束后,它們的頻率再次躍遷至下一個預設的諧振頻點,繼續進行各個頻點的頻率分辨率測量,按照特定順序測量各個頻點的頻率分辨率.因此,可見該系統成功地實現了對可測頻譜范圍內多個頻點的頻率分辨率的獨立測量.

通過采用上述實驗方案引入輕微失諧的輔助微波,使得該系統能夠實現最小頻率分辨率1 Hz,同時具備對可測頻譜范圍內間隔為1 MHz 掃頻步進的諧振頻點的頻率分辨率進行單獨檢測和區分的能力.這一方案成功地解決了由于高功率微波和磁場梯度使用所導致的頻率分辨率下降的問題,同時提高了對微波信號的實時檢測能力.

4 結論

本文通過搭建結合連續外差技術的量子金剛石微波頻譜成像系統,利用連續光探測磁共振的NV 色心傳感技術驗證外差技術對微波寬頻譜頻率分辨率的有效性.首先,利用已知磁場梯度對NV色心諧振頻率進行空間編碼,從而實現對寬頻譜微波信號的測量和頻譜分辨率分析.通過精確控制磁場方向與金剛石NV 軸對準,并利用位移臺調整磁鐵與金剛石的距離控制磁場梯度.在逐漸調整磁場的過程中,對磁鐵距離金剛石的不同位置進行觀測,并進行一系列ODMR 成像實驗,從而逐步建立了磁場梯度的分布情況,最終成功獲取了900 MHz—6.0 GHz 范圍內完整的頻譜數據.隨后,采用連續外差的實驗方案,通過調控兩臺微波源同時施加諧振微波和輕微失諧的輔助微波對微弱微波信號進行檢測.該方案實現了在可測頻譜范圍內1 Hz 的頻率分辨率,并具備對可測頻譜范圍內間隔為1 MHz 掃頻步進的多個諧振頻點的頻率分辨率進行單獨檢測和區分的能力.為了進一步提升系統性能,可以采取一系列改進措施,以優化微波頻譜分析的性能.這些改進措施包括增加探測器內存深度、提高光學收集效率、設計可調節的磁場結構,以及優化金剛石樣品等方法,例如增加NV 色心的濃度和使用取向性NV 色心晶體等.以上研究結果表明連續外差技術對微波寬頻譜頻率分辨率提升的有效性,并為微波頻譜分析領域進一步研究提供了技術支持.