金刚石中的氮-空位(Nitrogen-Vacancy,NV)色心,是一种室温大气环境下性质优异的固态自旋。其作为一种弱磁弱电信号量子探针,在电磁测量以及成像方面具有天生的优势。其毫秒级的量子相干性质,使得它具有非常高的探测灵敏度;其电子自旋结构局域在原子尺度内,使得它具有纳米级别的高空间分辨成像能力。在如今高速发展的生物分子以及二维材料等领域,原子分子以及电子的排布结构决定了分子和材料的功能。室温大气环境下具有单电子甚至单核探测灵敏度和纳米级空间成像分辨率的NV色心,在这些领域将具有重要的应用价值。NV色心的研究可以追溯到上世纪六十年代,但是基于NV色心的量子电磁探测技术才发展了不到二十年。因此基于NV色心的电磁场成像谱仪仍然没有成型的商业产品,这使得这一技术在实际应用中操作困难且工作效率低下。我博士期间工作主要集中在如何研制出一台高效稳定的谱仪,并且将在本论文中阐述其原理、结构以及应用。在本论文中,我将对基于NV色心的纳米电磁场成像的谱仪研制进行系统性的研究。论文将分三大部分:1.通过对金刚石中NV色心的电子以及自旋能级结构进行介绍,并以此为基础,展示NV色心这一体系量子态的极化、量子调控以及读出功能。这一部分是基于NV色心作为电磁探测和成像探针的基础。2.介绍基于NV色心电磁探测和成像技术的谱仪结构和功能。基于NV色心的探测技术主要是通过光探测磁共振谱仪,实现对NV色心的量子调控,从而探测电磁场信号。通过将金刚石制作成探针,兼容到原子力扫描成像系统中,可以实现基于NV色心的电磁场扫描成像谱仪。本部分,也是论文的重点,我们将着重介绍和分析如何将原子力扫描技术融洽的结合到NV色心的电磁探测技术上。3.介绍基于NV色心的电磁场成像技术和应用。在谱仪研制的基础上,我们总结和开发了一系列成像的方法,并研究和分析了灵敏度与空间分辨率。在本部分中我们分析和归纳各种方法的优劣,并着重介绍了我们研发的两种新的电磁成像技术。这两种技术有效的填补了之前基于NV色心在电磁场成像方法中的不足。