在金刚石内部,碳原子空位与氮原子结合会形成NV色心（Nitrogen Vacancy center）。因其室温下物理性质稳定、发光稳定、电子自旋易操控的特性,金刚石NV色心成为量子传感、量子计算、量子存储等领域的研究热点之一。科学家使用化学气相沉积法、电子束辐射法、离子束注入法和飞秒激光制备法在金刚石内部制备NV色心。然而在高质量、大深度单NV色心的高效制备和应用拓展等方面仍存在诸多困难和挑战:（一）电子/离子辐照加工设备体积庞大,制备过程中引入的实体粒子引起色心周围间隙缺陷增多、残余应力大,且难以对加工效果即时评估。（二）飞秒激光直写方法专用设备缺失且深度受限。受金刚石高折射率散焦影响,飞秒激光直写高质量、大深度单NV色心困难,原位“加工-检测”一体化高集成度NV色心专用激光直写装备缺失,导致色心良好的读出保真度、长退相时间等优势难以充分发挥。（三）高精度磁场测量仍有进步空间。微特斯拉级磁场矢量和梯度的准确测量仍面临色心定位精度差和单NV产生效率低等挑战。针对上述金刚石NV色心制备设备、制备效果与磁场探测应用研究技术存在的问题与挑战,本论文研制和验证了基于飞秒激光的金刚石NV色心集成加工测试系统,成功地在金刚石内部制备了大深度、高质量、单NV色心,以大对比度光探测磁共振和良好的自旋调控性能为基础,最终将制备的具有高灵敏度和一致性单NV色心阵列成功应用于高精度静磁场矢量和极小间距下磁场梯度探测。具体研究成果如下:1.研制金刚石NV色心一体化飞秒激光加工检测系统。系统将飞秒激光加工光路、探测光路和电子自旋调控系统相集成,实现了金刚石NV色心专用高集成度、高自动化飞秒激光一体化加工检测系统。通过Solidworks软件建模,设计了NV色心专用加工检测系统的大理石荧光共聚焦系统,系统装调精度达到0.1mm,体积仅为62cm*35cm*41cm。采用FPGA开发的电子自旋调控专用子系统替代通用设备,输出6ns高精度时序控制信号且带有门控信号双通道光子计数功能。采用Lab VIEW图形化编程平台进行全系统功能化模块控制集成,实现“一键”加工和测试任务。该系统将加工、检测、调控系统进行复用集成,为高质量单NV色心及阵列的低成本、高效率、智能化制备奠定了设备基础。2.金刚石内部高质量、大深度单NV色心的制备与检测。采用空间波前整形的515nm飞秒激光,在金刚石表面95μm深度实现了高质量、单NV色心阵列的高精度制备。NV色心阵列共聚焦荧光扫描图像成像清晰,单NV色心产率达到56±11%,低温PLE线宽仅为13.05±0.2MHz,NV色心加工定位误差约为±0.2μm,绝对距离偏差小于0.4μm。采用基于第一性原理的简化间隙缺陷模型,阐明了光子相对电子/离子等大动量实体粒子在NV色心周围引入较少间隙缺陷的物理机理,为飞秒激光制备高质量单NV色心奠定了理论基础。3.金刚石NV色心大对比度光探测磁共振。基于金刚石NV色心集成加工测试系统,充分发挥高质量、大深度单NV色心的高读出保真度,室温下光探测磁共振谱探测实现了36%的对比度,有效降低了噪声限制灵敏度并提高磁场检测性能。在电子自旋调控子系统的作用下实现NV色心电子自旋与三级核自旋的高效耦合,光探测磁共振谱FWHM降低至0.379MHz。制备的单NV色心拉比振荡时间超过4μs,拉比振荡频率达到4.33MHz,自旋退相时间2*超过2μs,自旋退相干时间2可达445μs,为单NV色心实现高精度静态微弱磁场和梯度场的探测奠定了基础。4.高一致性单NV色心静磁场矢量和梯度测量。使用研制的金刚石NV色心集成加工测试系统在高质量单NV色心的基础上,进行了NV轴向磁场强度探测,探测结果与静磁场强度仿真曲线高度吻合。对单NV色心进行轴向测定,建立了磁矢量测量笛卡尔坐标系,推导NV色心自旋塞曼分裂到坐标轴轴向磁场强度的公式。最终磁场矢量测试结果与仿真结果一致,测量误差约为±0.00446μT。实现了静磁场单个轴向微米级梯度测量,在5μm极小间距下测得磁场梯度为-0.047μT/μm,在磁场传感精度和磁场梯度检测精度上均有着巨大提升。本论文在基于飞秒激光直写的金刚石NV色心加工与测试设备一体化集成方面做了深入的研究。通过金刚石NV色心集成加工测试系统的设计和实现,解决了NV色心制备与测试系统分离,大大提高了制备与检测效率。通过制备的大深度高质量单NV色心阵列,解决了电子/离子辐照加工设备体积庞大,引入间隙缺陷和制备的NV色心残余应力大等问题。利用高质量单NV色心读出保真度高、PLE线宽窄、加工定位精度高以及自旋退相时间和退相干时间长等特点,实现了大对比度光探测磁共振与静磁场矢量和梯度的精准测量。本论文研制的金刚石NV色心一体化集成加工检测设备为高质量单NV色心及阵列的低成本、高效率、智能化制备奠定了设备基础,为NV色心阵列在精密矢量微纳场传感、量子位、生物传感等领域的广泛应用铺平了道路。