面向高空间分辨率与灵敏度的量子金刚石显微镜光学像差研究
光学
2025-05-20 v3 其他凝聚态物理
摘要
量子金刚石显微镜（QDM）利用氮 - 空位（NV）色心系综，是一种有望以接近衍射极限的高分辨率和宽视场对磁场进行定量成像的技术。QDM 常用的装置通过透明金刚石捕获光致发光，这不可避免地会引入像差——即降低所获图像光学分辨率和对比度的光学误差。在本研究中，我们深入探讨了光学像差的影响，重点关注其对金刚石厚度的依赖性。我们首先引入了一个结合像差的严格衍射模型 [Richards 等人，Braat 等人]，用于生成 NV 色心光学图像。我们确认该模型能准确重现不同深度下单个 NV 色心的共焦图像。将该模型扩展至宽场显微镜后，我们发现它也能准确重现穿过不同厚度金刚石获得的 USAF 1951 分辨率测试卡图像。基于这些研究，我们定量评估了由此产生的分辨率限制，并提出减薄金刚石作为一种可行的解决方案。我们提出了一种稳健的方法，用于定量确定受光线穿过金刚石引起的像差影响的光学系统中的分辨率。例如，对于物镜数值孔径 NA = 0.7 的典型显微镜，穿过 30 m 厚的金刚石可实现衍射极限，而穿过 100 m 厚的金刚石可获得 1 m 的分辨率。这些结果为提升 QDM 性能开辟了途径。用于计算矢量点扩散函数（PSFs）的 Julia 软件包可在 获取。
引用
@article{arxiv.2402.14422,
title = {Investigations of optical aberration on quantum diamond microscopy toward high spatial resolution and sensitivity},
author = {Shunsuke Nishimura and Moeta Tsukamoto and Kento Sasaki and Kensuke Kobayashi},
journal= {arXiv preprint arXiv:2402.14422},
year = {2025}
}