量子计量学是基于量子物理学和计量学的理论框架,结合量子科学、计量科学和现代实验技术的新型实用交叉学科。量子计量学是量子科学的重要应用,也是更精准计量学的必经之路;既是科技进步的产物,也是时代发展的需求。量子计量学的发展将有助于我们更真实的了解世界,更深刻的改造世界。目前,NV色心是量子测量技术一种重要的物理载体,它具有性质稳定,相干时间长,光学可读取,常温可操作等优秀的自身属性,同时可以非破坏性地测量电场、磁场、时间、应力、热能等多个基础物理量。随着测量参数的优化和实验技术的进步,量子精密测量技术的研究领域和适用范围将在物理、化学、生物、材料科学等众多领域进一步扩大,可行性和实用性将进一步加深。本博士论文主要完成以下工作:(1)系统研究了基于NV色心的固态量子体系在生成、制备、加工和检测全过程的工艺参数。通过不同加工方式、不同能量和剂量、不同退火流程等,经过系统的数据模拟和一百多批次的完整样品制备经历,总结并优化了基于CVD合成金刚石通过离子注入产生色心的实验参数。并可以根据不同需求高效定制化得到单个(或多个)色心点阵样品和浓度可调的系综样品,可以定制化得到距离表面10nm到100nm深度可调的样品。(2)系统研究,用于色心生长、加工和检测技术流程。实现了从金刚石合成、加工(激光切割,掩膜制作)到离子注入的全流程设备的性能优化;实现了从高温退火、有机无机(酸洗)清洗到共聚焦检测平台的搭建;实现了完整的金刚石生成和NV色心制备流程,解决了将来的实验研究和生产应用中材料来源的问题。(3)系统研究离子注入对NV色心性质的改变,尤其是与量子测量相关的光学性质,电子自旋性质和材料学性质。通过电子辐照延长NV色心的荧光寿命达到1.3倍,延长电子自旋相干时间达到1.7倍,提高生成效率达到24.6倍,提高磁场测量灵敏度达到3.15倍。(4)研究了时间门控技术,利用自旋依赖的荧光寿命,在时间上对NV荧光进行滤波,提高了自旋探测中的光信号对比度达到1.8倍。优化了基于NV色心的固态传感系统在实验上的使用。