近年来,随着人们对人工合成单晶块状金刚石技术的掌握,对于金刚石光学工程,主要包括对基于金刚石的纳米技术的研究,也越来越多。而且其中基于金刚石中NV色心的研究,在量子信息技术领域和量子精密测量领域被学术界广泛重视。因为在室温条件下就具有稳定的光子发射和长的消相干时间等特性,NV色心已经被应用并作为目前实现量子计算机与量子信息技术的重要候选者。NV色心的电子自旋状态可以为量子计算提供有希望的固体量子位之一。此外,NV色心可以作为电磁场,温度和压力的纳米传感器,因为其中电子自旋的量子态对于外部环境非常敏感。这在生物学等方面已得到很好的应用。本文从实际工作出发,主要取得以下四个方面成果:1.以半导体工艺、有限元仿真为主要手段,研究基于块状金刚石NV色心的单光子源器件的制备,成功加工出了几种微纳器件,包括:纳米线、固体浸没透镜、圆形靶心环光栅、微盘和自支撑薄膜。还分别在块状金刚石和纳米线上实现了人工制备单个NV色心。从而获得了基于块状金刚石材料微纳加工方面的工作及经验。2.对金刚石纳米线NV色心单光子源进行了实验分析,证明了这种锥形纳米线,相比块状金刚石,能以7倍增幅提高共聚焦实验系统对NV色心的单光子收集效率,而且单光子计数率可以到564kcps。可以应用这种具有高光子通量的纳米线单光子器件来提高量子信息处理的性能。更重要的是,还可以为纳米级传感与测量提供有效的解决方案。3.通过基于块状金刚石中的NV色心探测局域光场的光学远场显微镜技术,实现了对金刚石表面微纳结构的超分辨率成像。该技术将块状金刚石中人工制备的密集NV色心阵列作为近场光学探针。其局域光场通过金刚石表面上的纳米结构传输,并利用NV色心的电荷状态转换来测量。而电荷状态损耗型纳米显微技术可以实现6.1 nm的空间分辨率的氮空色心位置测量,所以,金刚石表面上的纳米结构也被以低于光学衍射极限的分辨率被成像。该结果提供了一种构建通用光学超分辨率显微镜技术的方法和用于具有NV色心高空间分辨率传感的便利平台。4.通过对微波器件的仿真,优化,处理和封装研究,为基于NV色心的量子传感的光学远场超分辨率显微镜技术提供了集成高品质因子微波天线的纳米传感器。此外,本文还说明了计算机视觉等人工智能技术在实验检测和样品制备中的应用,并开源相关程序为其他类似研究工作提供了参考和技术积累。上述四个方面成果,都是紧密围绕NV色心纳米传感这个目标进行的多方面多角度的研究。本文中无论是对纳米尺寸的传感器的研究,还是研究对目标进行纳米显微成像,都取得了阶段性成果。展望未来的工作,可以深入研究NV色心量子传感结合光学超分辨成像的技术,以及该技术在生物学和材料学上的应用,从而进行交叉学科研究。