CN117120862A - 金刚石光磁传感器以及金刚石光磁传感器系统 - Google Patents

Abstract

金刚石光磁传感器包含：金刚石，其具有带电子自旋的色心，并且被照射激发光；以及照射部，其向金刚石照射色心的激发光以及磁共振用的电磁波，照射部接收振幅调制后的调制光，调制光的调制频率包含在微波的频带中。

Description

金刚石光磁传感器以及金刚石光磁传感器系统

技术领域

本公开涉及金刚石光磁传感器以及金刚石光磁传感器系统。本申请主张基于2021年3月31日申请的日本申请第2021-059797号的优先权，并援引上述日本申请中记载的全部记载内容。

背景技术

已知有使用了金刚石的NV中心(以下，称为NV中心)的光磁传感器。当由进入金刚石中的碳的取代位置的氮和与该氮相邻的空孔构成的NV中心带负电时，其基态形成为三重态(即，自旋S为S＝1)。当通过波长532nm(即，绿色光)对该NV中心进行激发时，发出波长637nm(即，红色光)的荧光。荧光的发光强度根据自旋状态而变化，自旋状态因施加于NV中心的磁场与基于微波或无线电波的磁共振而变化，因此能够用作金刚石光磁传感器。

金刚石光磁传感器由以下构成：含有NV中心的金刚石基板；传输来自光源的激发光并照射至NV中心的光学系统；将来自NV中心的荧光聚光并传输至光检测器的光学系统；传输来自电源的微波并照射至NV中心的波导。

例如，在下述非专利文献1中，公开了在共面波导上载置金刚石传感器而照射微波的结构。金刚石基板的形状为长方体，激发光从金刚石基板的旁边照射，荧光从金刚石基板上聚光。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：增山雄太、波多野雄治、岩崎孝之、波多野睦子，“使用了共面波导的高灵敏度宏观金刚石磁强计”，第七十九次应用物理学会秋季学术演讲会演讲预稿集(发行日：2018年9月5日)

发明内容

本公开的一个方面所涉及的金刚石光磁传感器包含：金刚石，其具有带电子自旋的色心，并且被照射激发光；以及照射部，其向金刚石照射磁共振用的电磁波，照射部接收振幅调制后的调制光，调制光的调制频率包含在微波的频带中。

本公开的另一方面所涉及的金刚石光磁传感器系统包含上述金刚石光磁传感器、生成调制光的光调制部以及传输调制光的传输部，调制光经由传输部传输并由照射部接收。

附图说明

图1是表示本公开的实施方式所涉及的金刚石光磁传感器系统的框图。

图2是表示照射到金刚石的微波以及激发光的传输路径的框图。

图3是表示图1所示的金刚石光磁传感器系统中的光供电部的结构例的框图。

图4是用于生成反向偏置电压的结构的一个例子，是表示与图3不同的结构的框图。

图5是用于生成反向偏置电压的结构的一个例子，是表示与图3以及图4不同的结构的框图。

图6是表示图3所示的共振器的结构例的框图。

图7是表示第一变形例所涉及的光供电部的框图。

图8是表示在第二变形例所涉及的金刚石光磁传感器系统中，照射到金刚石的微波以及激发光的传输路径的框图。

图9是表示在第三变形例所涉及的金刚石光磁传感器系统中，照射到金刚石的微波以及激发光的传输路径的框图。

图10是表示在第四变形例所涉及的金刚石光磁传感器系统中，照射到金刚石的微波以及激发光的传输路径的框图。

图11是表示在实验中使用的测定装置的结构的示意图。

图12是表示在实验中使用的金刚石的形状的立体图。

图13是表示通过光供电来传输微波的实验结果的图表。

图14是表示从金刚石的NV中心放射的荧光的强度的变化的图表。

图15是表示通过同轴电缆来传输微波的实验结果的图表。

具体实施方式

[本公开所要解决的问题]

当在高电压的电力设备的测量中使用金刚石光磁传感器的情况下，为了避免高电压的绝缘破坏，优选从远程确保绝缘隔离来进行激发光、荧光以及微波的传输。

关于激发光以及荧光的传输，如果使用光纤，则能够从远程确保绝缘隔离地进行传输。关于微波的传输，在基于同轴电缆的传输中难以确保绝缘隔离，但如果使用发送天线和接收天线以电波进行空间传输，则能够从远程确保绝缘隔离。

在使用发送天线和接收天线对微波进行空间传输的情况下，使NV中心磁共振的微波的频率约为3GHz，微波的波长在空间中约为10cm。因此，接收天线也需要10cm左右的尺寸。由于天线由导电体构成，因此在高电压的电力设备的测量中，为了不产生绝缘破坏，需要考虑确保绝缘隔离以及避免电场集中。但是，如果接收天线大到10cm，则难以确保绝缘隔离以及避免电场集中。另外，根据电波法，限制向空中放射约3GHz的电波。由于这些制约，存在无法进行自由且灵活的测量的问题。

因而，本公开的目的在于，提供一种能够容易地用于高电压的电力设备的测量的金刚石光磁传感器以及金刚石光磁传感器系统。

[本公开的效果]

根据本公开，能够提供一种能够容易地用于高电压的电力设备的测量的金刚石光磁传感器以及金刚石光磁传感器系统。

[本公开的实施方式的说明]

列举本公开的实施方式的内容进行说明。也可以将以下记载的实施方式的至少一部分任意地组合。

(1)本公开的第一方面所涉及的金刚石光磁传感器包含：金刚石，其具有带电子自旋的色心，并且被照射激发光；以及照射部，其向金刚石照射磁共振用的电磁波，照射部接收振幅调制后的调制光，调制光的调制频率包含在微波的频带中。由此，能够实现能够容易地用于高电压的电力设备的测量的金刚石光磁传感器。由于在金刚石光磁传感器与测定设备之间传输的激发光、微波以及荧光的传输路径均可以由非金属的构件构成，在高电压的电力设备的测定中，容易确保为了避免绝缘破坏的绝缘隔离，测定的自由度以及灵活性得以提高。

(2)也可以是，照射部还包含将调制光转换为电信号的光电转换部，也可以是，磁共振用的电磁波由通过光电转换部生成的电信号形成，并照射到金刚石。由此，不使用天线等对电磁波(即，微波)进行空间传输，因此不受电波法的限制。因而，测定环境并不限定于屏蔽室内，能够在任意的环境下进行测定。

(3)也可以是，光电转换部包含将调制光转换为电信号的光电二极管，也可以是，照射部还包含从由光电二极管生成的电信号中取出交流分量的第一偏置器，也可以是，磁共振用的电磁波由交流分量形成。由此，能够使金刚石光磁传感器比测定中使用的电磁波的波长(即，约10cm左右)紧凑，能够收纳于球形等没有角的壳体中。因而，在高电压的电力设备的测量中，容易避免电场集中。

(4)也可以是，光电转换部包含光电转换元件，该光电转换元件将包含投光器的光、调制光以及激发光中的至少一种光的光的一部分转换为电位，也可以是，第一偏置器通过被施加由光电转换元件生成的电位而从电信号中取出交流分量。由此，能够实现金刚石与光源以及微波源之间的电绝缘。另外，金刚石光磁传感器的寿命变长。

(5)也可以是，光电转换部包含：光电转换元件，其将包含投光器的光、调制光以及激发光中的至少一种光的光的一部分转换为电力；以及放大器，其将光电二极管或第一偏置器的输出信号放大，也可以是，输出信号通过将由光电转换元件生成的电力施加于放大器而被放大。由此，能够实现金刚石与光源以及微波源之间的电绝缘，能够向金刚石照射更高输出的微波，能够进行更高灵敏度的磁检测。另外，金刚石光磁传感器的寿命变长。

(6)也可以是，调制光的载波具有与激发光的波长不同的波长。由此，能够使用相同的光纤容易地传输调制光和激发光，能够削减部件数量。

(7)也可以是，调制光的载波的波长包含在近红外光的波段中。由此，调制光的生成以及传输变得容易。

(8)也可以是，激发光具有与调制光的载波的波长相同的波长，也可以是，调制光通过对激发光进行振幅调制而生成。由此，仅生成激发光即可，因此能够削减部件数量。

(9)也可以是，调制光为激光。由此，能够增大调制光的强度，能够将调制光传输到更远。

(10)也可以是，通过将激光二极管的驱动电流控制为以调制频率进行变化而从激光二极管输出调制光。由此，能够通过直接调制法容易地生成调制光，能够使调制装置小型化。

(11)也可以是，通过利用调制频率的调制信号对被输入激光的LN元件进行控制而从LN元件输出调制光。由此，能够进行高速调制，能够生成调制频率高的调制光。

(12)也可以是，激光二极管的驱动电流由第二偏置器进行控制。由此，能够使用激光二极管容易地生成调制光。

(13)也可以是，激发光为激光。由此，能够使用激光二极管等容易地生成激发光。

(14)也可以是，调制光经由第一光纤传输，并由照射部接收。由此，能够将调制光可靠地传输到照射部。另外，能够在高电压的电力设备中安全地使用金刚石光磁传感器。

(15)也可以是，激发光通过第二光纤传输，并照射到金刚石。由此，能够将激发光可靠地传输到照射部。另外，能够在高电压的电力设备中安全地使用金刚石光磁传感器。

(16)也可以是，激发光经由第一光纤传输，并照射到金刚石。由此，能够通过一个光纤传输调制光和激发光，能够削减部件数量，使制造变得容易。

(17)也可以是，照射部包含共振器，也可以是，金刚石配置于共振器。由此，能够高效地向金刚石照射电磁波(即，微波)。

(18)也可以是，金刚石配置在距光电转换部5mm以内的位置。由此，能够向金刚石照射功率大的电磁波(即，微波)。

(19)也可以是，照射部将输入的调制光作为磁共振用的电磁波照射到金刚石。由此，不需要将调制光转换为电信号的光电转换装置，能够削减部件数量，使制造变得容易。

(20)也可以是，金刚石光磁传感器还包含通过导电构件而形成为平滑的形状的收纳部，也可以是，金刚石以及照射部收纳于收纳部。由此，能够在高电压的电力设备中安全地使用金刚石光磁传感器。

(21)本公开的第二方面所涉及的金刚石光磁传感器系统包含上述金刚石光磁传感器、生成调制光的光调制部以及传输调制光的传输部，调制光经由传输部被传输并由照射部接收。由此，能够将在金刚石光磁传感器与测定设备之间传输的激发光、微波以及荧光的传输路径全部由非金属的构件构成，因此在高电压的电力设备的测定中，容易确保为了避免绝缘破坏的绝缘隔离，测定的自由度以及灵活度得以提高。另外，由于不使用天线等对电磁波(即，微波)进行空间传输，因此不受电波法的限制。因而，测定环境并不限定于屏蔽室内，能够在任意的环境下进行测定。另外，由于不使用天线等对微波进行空间传输，因此不受电波法的限制。因而，测定环境并不限定于屏蔽室内，能够在任意的环境下进行测定。

[本公开的实施方式的详细内容]

在以下的实施方式中，对相同的部件标注相同的附图标记。它们的名称以及功能也相同。因而，不重复对它们的详细说明。

参照图1，本公开的实施方式所涉及的金刚石光磁传感器系统100包含金刚石104、光电转换部106、传输部108、调制信号生成部110、光调制部112、光纤114、激发光生成部120、分波器122、聚光部124、光纤126以及控制部130。金刚石104包含NV中心。通过光供电来进行微波向金刚石104的供给。金刚石104、光电转换部106以及传输部108构成金刚石光磁传感器。当在高电压的电力设备等中通过金刚石光磁传感器系统100进行测定的情况下，为了避免电场集中，金刚石104、光电转换部106以及传输部108优选收纳于金属等导电性的壳体102。如后所述，控制部130对调制信号生成部110以及激发光生成部120进行控制，将微波以及激发光照射到金刚石104，通过检测部128对从金刚石104放射的荧光进行检测，获取为测定数据。控制部130由CPU(Central Processing Unit：中央处理器)、微型计算机等实现。

调制信号生成部110接受控制部130的控制，生成预定频率(即，微波频带)的信号，并输入至光调制部112。光调制部112使用从调制信号生成部110供给的信号对预定频率的光进行振幅调制，生成并输出调制光。即，调制信号生成部110输出的信号是为了生成调制光而使用的调制信号。调制信号生成部110输出的信号的频率是调制频率。被调制的预定频率的光是载波。由光调制部112生成的调制光通过光纤114传输至光电转换部106。

光电转换部106将经由光纤114传输的调制光转换(即，光电转换)为电信号，并输入到传输部108。由此，从调制光生成具有该载波的频率(即，微波频带)的电信号，并供给到传输部108。传输部108增大所输入的电信号即电流，并传输至金刚石104。由在传输部108中传输的电信号形成的电磁波照射到金刚石104，用于NV中心的磁共振。即，光电转换部106以及传输部108构成照射部116，调制信号生成部110、光调制部112、光纤114以及照射部116构成用于向金刚石104照射微波的光供电部118。

激发光生成部120接受控制部130的控制，生成并输出NV中心的激发光(即，绿色光)。由激发光生成部120生成的激发光被分波器122反射，被聚光部124聚光而射入到光纤126。分波器122根据射入的光的波长，使射入的光反射或透射。分波器122例如是分色镜，在此反射绿色的激发光，并使红色的荧光透过。光纤126将输入的激发光传输至金刚石104。由此，激发光照射到金刚石104，从金刚石104的NV中心放射荧光(即，红色光)。从金刚石104放射的荧光射入到光纤126，通过光纤126传输，从光纤126的输出端放射。从光纤126的输出端放射的荧光通过聚光部124成为平行光，通过分波器122，射入到检测部128。检测部128对射入的荧光的强度进行检测。控制部130获取由检测部128检测出的信号作为测定数据。由此，能够通过金刚石光磁传感器系统100进行磁场等的测定。

如上所述，在金刚石光磁传感器系统100中向金刚石104照射的微波通过光供电来进行。即，参照图2，向金刚石104照射的微波作为光(即，调制光)通过光纤114传输到金刚石104的附近后，通过转换为电信号而形成为电磁波(即，微波)。另一方面，NV中心的激发光从激发光生成部120输出，通过光纤126传输到金刚石104。从NV中心放射的荧光通过光纤126传输至检测部128。这样，通过光供电，能够将在金刚石光磁传感器与测定设备之间传输的激发光、微波以及荧光的传输路径全部由非金属的构件(例如光纤)构成。因而，在高电压的电力设备的测定中，容易确保为了避免绝缘破坏的绝缘隔离，测定的自由度以及灵活度得以提高。

关于金刚石光磁传感器系统100的光供电部118，更具体地示出。参照图3，调制信号生成部110(参照图1)包含VCO140、衰减器142、放大器144、循环器146以及终端器148。光调制部112(参照图1)包含偏置器150、电流源152以及LD(激光二极管)154。光纤114(参照图1)包含光纤156。光电转换部106(参照图1)包含PD(光电二极管)158、偏置器160以及电压源162。需要说明的是，在需要放大由光电转换部106光电转换后的信号的情况下，功率放大器也可以包含在PD158与偏置器160之间、或者偏置器160的后级。传输部108(参照图1)包含循环器164、终端器166以及共振器168。

VCO140生成并输出频率恒定的电信号。恒定频率包含在微波频带中。VCO140的输出信号被衰减器142以及放大器144以不改变频率的方式被整形为预定电平的信号。循环器146将从放大器144供给的信号供给至偏置器150。从循环器146供给到偏置器150的信号的一部分可能被反射而输入到循环器146。由此，为了避免放大器144的输出信号受到影响，循环器146将从偏置器150返回的信号如虚线的箭头所示那样释放到终端器148，由终端器148消耗。终端器148例如是50Ω终端器。

偏置器150对从循环器146供给的恒定频率的信号加上从电流源152供给的恒定电流并输出。电流源152作为用于供给LD154的驱动电流(即，偏置电流)的恒流源而发挥功能。LD154由来自偏置器150的输出信号驱动，并输出激光。来自偏置器150的输出信号在恒定电平的电流上重叠有从循环器146供给的恒定频率(即，微波频率)，因此从LD154输出的激光成为振幅调制后的光(即，调制光)。即，LD154通过直接调制方式进行控制，输出调制光。从循环器146供给的恒定频率(即，微波频率)作为从偏置器150输出的调制光的调制信号而发挥功能。

从LD154输出的调制光通过光纤156传输到PD158。PD158对从光纤156输入的调制光进行光电转换。为了使PD158进行光电转换，需要对PD158施加反向偏置电压。反向偏置电压从电压源162供给，经由偏置器160施加于PD158。电压源162是输出恒定电压的电源，例如是电池(例如干电池)。优选地，使用将光转换为电位的光电转换元件来代替电池。向光电转换元件照射的光也可以是自然光，但如后述那样，也可以设置投光器而产生光。更优选地，如后所述，向光电转换元件照射向金刚石照射的调制光或激发光的一部分的光、或从金刚石放射的荧光的泄漏光是有效的。这样，通过利用电池或通过光而产生电位的机构，实现金刚石与光源以及微波源之间的电绝缘。与利用电池的结构相比，使用光源的结构的情况下，机构变得复杂，但金刚石光磁传感器系统100的寿命变长。

PD158将从光纤156输入的调制光转换为电信号，并输出到偏置器160。从PD158输出的电信号是具有与调制光的调制频率(即，微波频率)相同的频率的交流分量与直流分量叠加而成的信号。如上所述，可以通过功率放大器对从PD158输出的电信号进行放大并输入到偏置器160，也可以对从偏置器160输出的电信号进行功率放大。利用于功率放大器的电力例如由电池供给。优选地，使用将光转换为电力的光电转换元件来代替电池。向光电转换元件照射的光可以是自然光，但也可以设置投光器来产生光。更优选地，向光电转换元件照射向金刚石照射的调制光或激发光的一部分的光、或从金刚石放射的荧光的泄漏光是有效的。这样，通过利用电池或通过光而产生电力的机构，实现金刚石与光源以及微波源之间的电绝缘，能够向金刚石照射更高输出的微波，能够进行更高灵敏度的磁检测。与利用电池的结构相比，使用光源的结构的情况下，机构变得复杂，但金刚石光磁传感器系统100的寿命变长。

偏置器160对从PD158输入的信号加上从电压源162供给的恒定电压(即，PD158的反向偏置电压)并输出。即，偏置器160从由PD158输入的信号中去除直流分量，并输出交流分量。

用于供给PD158的反向偏置电压的电压源162并不限定于上述干电池。反向偏置电压也可以使用光电转换元件来生成。例如，如图4所示，在图3中，也可以使用太阳能电池300和投光器302来代替电压源162。另外，如图5所示，也可以使用光电二极管304来代替电压源162。图4以及图5均是从图3所示的结构中提取出包含偏置器160的部分而示出的。

参照图4，太阳能电池300被照射从投光器302输出的光而生成直流电压。用虚线表示从投光器302输出的光。所生成的直流电压作为PD158的反向偏置电压被供给到偏置器160。由此，从由PD158输入到偏置器160的信号中去除直流分量，仅输出交流分量。需要说明的是，照射到太阳能电池300的光并不限定于从投光器302输出的光。也可以向太阳能电池300照射自然光。另外，如后所述，也可以将调制光或激发光的一部分的光、或者从金刚石放射的荧光的泄漏光照射到太阳能电池300。

另外，参照图5，光电二极管304被照射作为向金刚石104(参照图3)照射的激发光的一部分的泄漏激发光306而生成直流电压。所生成的直流电压作为PD158的反向偏置电压被供给到偏置器160。由此，从由PD158输入到偏置器160的信号中去除直流分量，仅输出交流分量。需要说明的是，向光电二极管304照射的光并不限定于泄漏激发光306。也可以向光电二极管304照射自然光。另外，也可以将从光纤156(参照图3)向PD158输入的调制光的一部分的光向光电二极管304照射。在该情况下，为了使光电二极管的输出电位恒定，需要进行使用齐纳二极管等的一般的电子电路的设计等。另外，也可以使来自金刚石的荧光的泄漏光的一部分的光照射到光电二极管304。

从偏置器160输出的交流信号(即，微波)被输入到循环器164。循环器164将从偏置器160供给的信号输出到共振器168。从循环器164供给到共振器168的信号的一部分可能被反射而输入到循环器164。由此，为了避免偏置器160的输出信号受到影响，循环器164将从共振器168返回的信号如虚线的箭头所示那样释放到终端器166，由终端器166消耗。终端器166例如是50Ω终端器。

共振器168增大所供给的微波并向金刚石104照射。例如，参照图6，共振器168包含阻抗转换器170以及谐振器172。金刚石104配置在谐振器172的附近(包含谐振器172的内部)。阻抗转换器170例如是λ/4变量器，谐振器172例如是λ/4短截线。谐振器172例如是由长度为微波的电气长度的1/4的平行配置的两根铜线形成的、与阻抗转换器170连接的端部的相对侧的端部开放的短截线(即，λ/4开路短截线)。谐振器172例如也可以是由长度为微波的电气长度的1/4的两片平行地对置配置的铜箔形成的、连接(即，短路)有与阻抗转换器170连接的端部的相对侧的端部的短截线(即，λ/4短路短截线)。通过阻抗转换器170，从谐振器172来看能够降低或提高循环器164的阻抗。谐振器172作为串联谐振电路或并联谐振电路而发挥功能，使所供给的微波增大。由此，将使金刚石104的NV中心产生磁共振的微波照射到金刚石104。共振器168可以是微带线共振器或共面波导共振器。

根据以上内容，在金刚石光磁传感器(即，金刚石104、光电转换部106以及传输部108)与测定设备(即，检测部128以及控制部130等)之间传输的激发光、微波以及荧光的传输路径可以全部由作为非金属构件的光纤114以及光纤126(参照图1)构成。因而，在高电压的电力设备的测定中，容易确保为了避免绝缘破坏的绝缘隔离，测定的自由度以及灵活度得以提高。

由于不使用天线等对电磁波(即，微波)进行空间传输，因此不受电波法的限制。因而，测定环境并不限定于屏蔽室内，能够在任意的环境下进行测定。另外，金刚石光磁传感器(即，金刚石104、光电转换部106以及传输部108)能够比测定中使用的电磁波的波长(例如约10cm左右)紧凑，能够收纳于球形等没有角的壳体中。因而，在高电压的电力设备的测量中，容易避免电场集中。

在上述中，对金刚石光磁传感器包含NV中心、通过光供电来传输微波的情况进行了说明，但并不限定于此。只要是利用光的强度被调制为电磁波的区域的频率的光(即，调制光)的传感器即可。优选通过光供电来传输电磁波。更优选通过光供电来传输微波的频带的电磁波。进一步优选通过光供电来传输频率为1GHz～5GHz的电磁波。

如上所述，优选通过PD158从调制光生成微波，但并不限定于此。只要是进行放电转换的设备或利用元件的传感器即可。

调制光的载波的波长优选包含在近红外光的波段中。由此，调制光的生成以及传输变得容易。

如上所述，调制光是从LD154输出的激光。由此，能够增大调制光的强度，能够将调制光传输到更远。

如上所述，调制光是通过将由电流源152供给的LD154的驱动电流控制为以调制频率进行变化而从LD154输出的光。由此，能够通过直接调制法容易地生成调制光，能够使调制装置小型化。

如上所述，由电流源152供给的LD154的驱动电流由偏置器150进行控制。由此，能够使用LD154容易地生成调制光。

如上所述，激发光为激光。由此，能够使用激发光生成部120容易地生成激发光。

如上所述，调制光经由光纤114传输，由照射部116接收。由此，能够将调制光可靠地传输到照射部116。另外，能够在高电压的电力设备中安全地使用金刚石光磁传感器。

如上所述，激发光通过光纤126传输，并照射到金刚石104。由此，能够可靠地传输激发光。另外，能够在高电压的电力设备中安全地使用金刚石光磁传感器。

如上所述，优选地，传输部108包含共振器168，金刚石104配置于共振器168。由此，能够高效地向金刚石照射电磁波(即，微波)。

优选地，金刚石104配置在距PD158为10mm以内的位置。更优选地，金刚石104配置在距PD158为5mm以内的位置。进一步优选地，金刚石104配置在距PD158为3mm以内的位置。由此，能够向金刚石104照射更强的电磁波(即，微波)。

如上所述，为了避免电场集中，优选将金刚石104、光电转换部106以及传输部108收纳于导电性的壳体102。优选地，壳体102包含开口部，该开口部为了供用于向光电转换部106传输调制光的光纤114和用于将激发光传输至金刚石104的光纤126通过，壳体102大致密闭。壳体102的外形形成为没有角且平滑即可，优选为球或椭圆体等形状。由此，能够在高电压的电力设备等中安全地使用金刚石光磁传感器。

(第一变形例)

在上述中，通过直接调制法生成调制光，但也可以通过外部调制法生成调制光。图1所示的光供电部118也可以如图7那样构成。第一变形例所涉及的光供电部通过外部调制法生成调制光。

图7所示的结构与图3的不同之处仅在于光调制部112的结构不同。图7的其他结构与图3相同。因而，以下不重复进行重复说明，以不同之处为主进行说明。参照图7，如上所述，从VCO140输出的频率恒定的电信号经由衰减器142以及放大器144被传递到循环器146，并从循环器146供给到LN元件180。如后所述，从循环器146向LN元件180供给的信号是用于生成调制光的调制信号。

电流源152是恒流源，向LD154供给用于驱动LD154的驱动电流(即，偏置电流)。LD154由来自偏置器150的输出信号驱动，输出频率以及振幅恒定的激光。从偏置器150输出的激光经由光纤182输入到LD154。LN元件180是由铌酸锂(LiNbO₃)形成的光调制器。LN元件180使用来自循环器146的信号作为调制信号对输入的激光进行振幅调制，并输出调制光。即，LN元件180通过外部调制法生成调制光。如上所述，从LN元件180输出的调制光通过光纤156被传输到PD158，通过PD158进行光电转换而变为微波，经由共振器168照射到金刚石104。

通过采用图7所示的光供电部，能够使在金刚石光磁传感器(即，金刚石104、光电转换部106以及传输部108)与测定设备(即，检测部128以及控制部130等)之间传输的激发光、微波以及荧光的传输路径全部由作为非金属构件的光纤114以及光纤126(参照图1)构成。因而，在高电压的电力设备的测定中，容易确保为了避免绝缘破坏的绝缘隔离，测定的自由度以及灵活度得以提高。由于不使用天线等对电磁波(即，微波)进行空间传输，因此不受电波法的限制。因而，测定环境并不限定于屏蔽室内，能够在任意的环境下进行测定。另外，金刚石光磁传感器(即，金刚石104、光电转换部106以及传输部108)能够比测定中使用的电磁波的波长(例如约10cm左右)紧凑，能够收纳于球形等没有角的壳体中。因而，在高电压的电力设备的测量中，容易避免电场集中。

通过使用LN元件180并利用外部调制法生成调制光，能够进行高速调制，能够生成调制频率高(例如几十GHz)的调制光。

(第二变形例)

在上述中，如图2所示，对通过不同的光纤(即，光纤114以及光纤126)将用于光供电的调制光和激发光传输至金刚石104的附近的情况进行了说明，但并不限定于此。在第二变形例所涉及的金刚石光磁传感器系统中，通过相同的光纤来传输用于光供电的调制光和激发光。

参照图8，从光调制部112(参照图1)输出的调制光和从激发光生成部120输出的激发光均通过光纤190传输。调制光的载波频率与激发光的频率不同。从光纤190的输出端输出的调制光被输入到光电转换部106，如上述那样被光电转换而生成微波。所生成的微波照射到金刚石104。另一方面，从光纤190的输出端输出的激发光直接照射到金刚石104。需要说明的是，从金刚石104放射的荧光既可以通过其他光纤传输到检测部128，也可以通过分波器192传输到检测部128。这样，作为调制光的载波的波长，具有与激发光不同的波长，由此能够使用相同的光纤容易地传输调制光和激发光，能够削减部件数量。

需要说明的是，为了将调制光以及激发光输入到光纤190，只要以调制光和激发光的光路在光纤190的输入端重叠的方式配置光学元件即可。例如，如果调制光的载波和激发光的频率不同(即，波长不同)，则能够使用分色镜。例如，能够使调制光透过分色镜而射入到光纤190，并且使激发光被分色镜反射而射入到光纤190。

(第三变形例)

在上述中，如图8所示，对通过相同的光纤190将频率不同(即，波长不同)的调制光和激发光传输到金刚石104的附近的情况进行了说明，但并不限定于此。在第三变形例所涉及的金刚石光磁传感器系统中，通过相同的光纤来传输相同频率(即，相同波长)的调制光和激发光。

参照图9，通过光纤190传输调制激发光。调制激发光是以微波频率的信号为调制信号对NV中心的激发光进行振幅调制而生成的。调制激发光的载波的频率与激发光的频率相同。从光纤190的输出端输出的调制光激发光被分配器194分离为两个光路。第一光路的光被输入到光电转换部106，如上述那样被光电转换而生成微波。所生成的微波照射到金刚石104。另一方面，第二光路的光作为激发光直接照射到金刚石104。

如图7所示，能够通过使用LN元件180对从激发光生成部120(参照图1)输出的激发光进行外部调制而生成射入到光纤190的调制激发光。通过对激发光进行调制，不需要设置用于生成调制光的LD(图3以及图7所示的LD154)，能够削减部件数量，使制造变得容易。

(第四变形例)

在上述中，对通过光电转换部106对调制光进行光电转换而生成微波的情况进行了说明，但并不限定于此。在第四变形例所涉及的金刚石光磁传感器系统中，使调制光直接照射到金刚石104。

参照图10，与图9同样地，通过光纤190传输调制激发光。调制激发光是以微波频率的信号为调制信号对NV中心的激发光进行振幅调制而生成的。从光纤190的输出端输出的调制光激发光直接照射到金刚石104。即，调制激发光被用作NV中心的激发光以及磁共振用的微波。由此，不需要用于光电转换的光电转换部106，能够削减部件数量，使制造变得容易。

在上述中，对金刚石光磁传感器包含NV中心的情况进行了说明，但并不限定于此。只要是具有带电子自旋的色心的金刚石光磁传感器即可。带电子自旋的色心是形成自旋三重态并通过被激发而发光的中心，NV中心是代表例。除此之外，已知在硅-空穴中心(即，Si-V中心)、锗-空穴中心(即，Ge-V中心)、锡-空穴中心(即，Sn-V中心)中也存在带电子自旋的色心。因而，也可以使用包含它们的金刚石代替包含NV中心的金刚石来构成金刚石光磁传感器。

在上述中，对通过光纤将调制光传输到金刚石的附近的情况进行了说明，但并不限定于此。也可以代替光纤而使用透镜以及反射镜对调制光进行空间传输。

实施例1

以下，示出实施例，示出本公开的有效性。使用图11所示的结果的测定装置，对具有NV中心的金刚石照射微波以及激发光，对从NV中心放射的荧光强度进行测定。参照图11，测定装置中的金刚石光磁传感器216由图3所示的金刚石104、光电转换部106以及传输部108构成。但是，在图11中，图3的金刚石104由金刚石210代替。用于对金刚石210照射微波的微波供给源220(即，微波系统)使用图3所示的调制信号生成部110、光调制部112以及光纤156，将调制光传输至金刚石光磁传感器216。用于向金刚石光磁传感器216中包含的金刚石210照射激发光的结构(即，照射系统)包含光源200、准直透镜202、分色镜204、球透镜206以及光纤208。用于观测从金刚石210放射的荧光的结构(即，观测系统)包含光纤208、球透镜206、分色镜204、LPF(Long Pass Filter：长通滤波器)212以及光检测器214。

参照图3，从VCO140输出3dBm的预定频率的电信号。预定频率在2.7GHz～2.94GHz的范围内变化。通过衰减器142使VCO140的输出信号衰减-20dB，通过放大器144放大+40dB并输入到循环器146。LD154使用Thorlabs公司制造的LPSC-1550-FC，从电流源152输出130mA的偏置电流并经由偏置器150供给到LD154，通过直接调制法生成调制光。通过光纤156，将包含15mW的直流分量和10mWrms(实效值)的交流分量的调制光传输至金刚石光磁传感器216。构成金刚石光磁传感器216的PD158使用Thorlabs公司制造的FGA01FC。电压源162使用干电池，从电压源162输出9V的反向偏置电压并经由偏置器160供给至PD158，通过光电转换生成微波的电信号。所生成的微波经由特性阻抗50Ω的循环器164被传输到共振器168。共振器168使用了λ/4变量器以及λ/4开路短截线的共振器。

另外，作为比较例，代替微波供给源220，使用特性阻抗50Ω的同轴电缆来传输由微波产生装置(未图示)产生的微波，经由上述的共面波导的共振器，照射到金刚石210。由同轴电缆传输的微波的频率也在2.74GHz～2.94GHz的范围内变化。

产生激发光的光源200使用LD(激光二极管)元件(具体而言，Thorlabs公司制造的L515A1)，产生5mW的绿色的激光(即，激发光)。使从光源200输出的激发光通过准直透镜202聚光后，射入到分色镜204。准直透镜202使用了Thorlabs公司制造的LA1116-A，分色镜204使用了骏河精机株式会社制造的SO6-RG。射入到分色镜204的激发光(即，绿色光)被分色镜204反射。通过球透镜206对该反射光进行聚光，并使其射入到光纤208(具体而言为纤芯)，在光纤208中传输后，照射到金刚石210。球透镜206使用了Opto Sigma公司制造的MS-08-4.35P1(直径为8mm)。光纤208使用了纤芯直径为φ0.9mm的光数字电缆。

使从金刚石210放射的荧光中的射入到光纤208的荧光在光纤208中传播后，通过球透镜206形成为平行光，并射入到分色镜204。射入到分色镜204的荧光(即，红色光)透过分色镜204而射入到LPF212。由光检测器214对通过LPF212后的荧光进行检测。LPF212使预定波长以上的波长的光通过，将比预定波长小的波长的光截止(例如反射)。LPF212使用了Opto Sigma公司制造的LOPF-25C-593。光检测器214使用了光电二极管(具体而言为浜松光子学株式会社制造的S6967)。金刚石的放射光为红色光，通过LPF212，但激发光的波长比该金刚石的放射光的波长短，因此不通过LPF212。由此，抑制了从光源200放射的激发光被光检测器214检测到而成为噪声、使检测灵敏度降低。

作为金刚石210，使用类型Ib型的金刚石，以电子束的加速能量为3MeV、电子束的剂量为3×10¹⁸个/cm²向其中注入电子，之后，在800℃下退火约1小时，生成包含NV中心的金刚石。如图12所示，将其切割成斜边为1mm的角锥棱镜，制作金刚石210。图12所示的金刚石是以点A、B、C以及D为顶点，角度α、β以及γ全部为直角的三棱锥。与三角形ABC的平面垂直地从上述的光纤208射入激发光(即，绿色光)。由于金刚石的折射率约为2.5，因此射入到金刚石内部的激发光被作为反射面而发挥功能的三个平面(即，三角形ABD、BCD以及ACD)内部反射，通过比不反射的情况长的光路而照射到NV中心。从NV中心放射的荧光(即，红色光)被作为反射面而发挥功能的上述三个平面内部反射，从射入有激发光的三角形ABC的平面输出，射入到上述光纤208。

如上所述，对使用微波供给源220来进行光供电的微波照射到金刚石210而从金刚石210放射的荧光进行测定，将结果示于图13。在图13中，横轴表示照射到金刚石210的微波的频率(即，VCO140的频率)，纵轴表示由光检测器214测定的荧光强度。通过使微波的功率恒定，并使微波的频率变化，能够观测到从金刚石的NV中心放射的红色的荧光的强度(即，红色光亮度)的谷。由此，能够计算出作为红色光亮度的降低率的自旋检测对比度比(即，图14所示的图表的谷的大小S除以荧光强度S0而得到的值)。作为金刚石光磁传感器的灵敏度δB(即，检测磁场B的分辨率)的理论式，已知有下述的式1，自旋检测对比度比会影响到灵敏度δB。

[数1]

在式1中，γ是磁旋比(即，常数)，是接近于电子的磁旋比(即，1.76×10¹¹rad/s/T)的值。η是荧光的检测效率，C是自旋检测对比度比。N是存在于被照射激发光且荧光被聚光的区域的带负电荷的NV中心的数量。T₂是电子自旋的横向弛豫时间。根据上述灵敏度的理论式(式1)，自旋检测对比度比越高，灵敏度δB越小，灵敏度越高。

由图13的测定结果可知，得到了荧光强度为1μA、自旋检测对比度比约为1.3％。由于在微波供给源220中包含循环器146以及循环器164，因此在图13所示的测定结果中，荧光强度的基线的变动被抑制为±0.1％左右。

作为比较例，对通过同轴电缆传输微波并照射到金刚石210而从金刚石210放射的荧光进行测定，将结果示于图15。在图15中，横轴表示照射到金刚石210的微波的频率，纵轴表示由光检测器214测定的荧光强度。通过使微波的功率恒定，并使微波的频率变化，能够观测到从金刚石的NV中心放射的红色的荧光的强度(即，红色光亮度)的谷，得到了荧光强度为1μA、自旋检测对比度比约为2％。由于通过同轴电缆传输微波，因此不包含循环器，因此在图15所示的测定结果中，荧光强度的基线的变动变动为±1％左右。

若对图13和图15所示的测定结果进行比较，通过利用光供电来传输微波，能够观测到与利用同轴电缆来传输微波的情况相同的荧光强度，关于自旋检测对比度比，也能够实现相同程度的值。由此，在使用了金刚石的NV中心的磁检测中，微波的光供电是有效的，可知与其对应的结构的金刚石光磁传感器的有效性。

实施例2

与实施例1同样地，采用图11所示的结构的测定装置，使用与实施例1不同的微波供给源220，对具有NV中心的金刚石210照射微波以及激发光，对从NV中心放射的荧光强度进行测定。具体而言，微波供给源220如图7所示那样形成为使用LN元件来输入外部的电调制信号而形成调制光的外部调制方式的结构。其他部分形成为与实施例1相同的实验结构。通过这样的结构，能够使用LN元件生成调制光。调制光经由光纤后，通过PD和偏置器转换为微波并照射到金刚石。通过使微波的频率变化，能够得到与图13同样的、荧光强度在共振频率处降低的频谱。能够确认频谱的波谷的频率位置依赖于磁场的强度而偏移，从而能够对磁场进行检测。

实施例3

与实施例1同样地，采用图11所示的结构的测定装置，变更微波供给源220中的基于光纤的光传输的构成部分，对具有NV中心的金刚石210照射微波以及激发光，对从NV中心放射的荧光强度进行测定。具体而言，如图8所示，将调制光和激发光合波，射入到同一光纤进行传输。在出射侧再次通过分配器进行分波，由分波后的调制光，在光电转换部中通过PD以及偏置器生成微波，能够照射到金刚石。对调制光的频率进行控制，使微波的频率变化，能够得到与图13同样的、荧光强度在共振频率处降低的频谱。能够确认频谱的波谷的频率位置依赖于磁场的强度而偏移，从而能够对磁场进行检测。

实施例4

与实施例1同样地，采用图11所示的结构的测定装置，变更微波供给源220的结构，对具有NV中心的金刚石210照射微波以及激发光，对从NV中心放射的荧光强度进行测定。具体而言，在光电转换部(与图3的光电转换部106对应)中，在PD(与图3的PD158对应)的后级设置功率放大器(放大器)，将调制光转换为电信号并将功率放大。之后，通过偏置器(与图3的偏置器160对应)将高频分量和直流分量分离。高频分量照射到金刚石210。功率放大器的功率使用了通过偏置器分离的直流分量。通过使调制光的频率变化而使微波的频率变化，能够得到与图13同样的、荧光强度在共振频率处降低的频谱。能够确认频谱的波谷的频率位置依赖于磁场的强度而偏移，从而能够对磁场进行检测。

实施例5

与实施例1同样地，采用图11所示的结构的测定装置，电压源162使用额定5V输出2W的太阳能电池来代替干电池(9V)(参照图4)，对具有NV中心的金刚石210照射微波以及激发光，对从NV中心放射的荧光强度进行测定。使用投光器对太阳能电池照射光。通过使调制光的频率变化而使微波的频率变化，能够得到与图13同样的、荧光强度在共振频率处降低的频谱。能够确认频谱的波谷的频率位置依赖于磁场的强度而偏移，从而能够对磁场进行检测。

以上，通过对实施方式进行说明而对本公开进行了说明，但上述的实施方式是示例，本公开并不仅限于上述的实施方式。本公开的范围在参考发明的详细说明的记载的基础上，由权利要求书的各权利要求示出，包含与在此记载的语句等同的含义以及范围内的全部变更。

附图标记说明

100：金刚石光磁传感器系统；

102：壳体；

104、210：金刚石；

106：光电转换部；

108：传输部；

110：调制信号生成部；

112：光调制部；

114、126、156、182、190、208：光纤；

116：照射部；

118：光供电部；

120：激发光生成部；

122、192：分波器；

124：聚光部；

128：检测部；

130：控制部；

140：VCO；

142：衰减器；

144：放大器；

146、164：循环器；

148、166：终端器；

150、160：偏置器；

152：电流源；

154：LD；

158：PD；

162：电压源；

168：共振器；

170：阻抗转换器；

172：谐振器；

180：LN元件；

194：分配器；

200：光源；

202：准直透镜；

204：分色镜；

206：球透镜；

212：LPF；

214：光检测器；

216：金刚石光磁传感器；

220：微波供给源；

300：太阳能电池；

302：投光器；

304：光电二极管；

306：泄漏激发光；

A、B、C、D：点；

α、β、γ：角度。

Claims (21)

1.一种金刚石光磁传感器，其中，

所述金刚石光磁传感器包含：

金刚石，其具有带电子自旋的色心，并且被照射激发光；以及

照射部，其向所述金刚石照射磁共振用的电磁波，

所述照射部接收振幅调制后的调制光，

所述调制光的调制频率包含在微波的频带中。

2.根据权利要求1所述的金刚石光磁传感器，其中，

所述照射部还包含将所述调制光转换为电信号的光电转换部，

磁共振用的所述电磁波由通过所述光电转换部生成的所述电信号形成，并照射到所述金刚石。

3.根据权利要求2所述的金刚石光磁传感器，其中，

所述光电转换部包含将所述调制光转换为所述电信号的光电二极管，

所述照射部还包含从由所述光电二极管生成的所述电信号中取出交流分量的第一偏置器，

磁共振用的所述电磁波由所述交流分量形成。

4.根据权利要求3所述的金刚石光磁传感器，其中，

所述光电转换部包含光电转换元件，所述光电转换元件将包含投光器的光、所述调制光以及所述激发光中的至少一种光的光的一部分转换为电位，

所述第一偏置器通过被施加由所述光电转换元件生成的所述电位而从所述电信号中取出交流分量。

5.根据权利要求3所述的金刚石光磁传感器，其中，

所述光电转换部包含：

光电转换元件，其将包含投光器的光、所述调制光以及所述激发光中的至少一种光的光的一部分转换为电力；以及

放大器，其将所述光电二极管或所述第一偏置器的输出信号放大，

所述输出信号通过将由所述光电转换元件生成的所述电力施加于所述放大器而被放大。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，

所述调制光的载波具有与所述激发光的波长不同的波长。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，

所述调制光的载波的波长包含在近红外光的波段中。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，

所述激发光具有与所述调制光的载波的波长相同的波长，

所述调制光通过对所述激发光进行振幅调制而生成。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，所述调制光为激光。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，通过将激光二极管的驱动电流控制为以所述调制频率进行变化而从所述激光二极管输出所述调制光。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，通过利用所述调制频率的调制信号对被输入激光的LN元件进行控制而从所述LN元件输出所述调制光。

12.根据权利要求10所述的金刚石光磁传感器，其中，所述激光二极管的所述驱动电流由第二偏置器进行控制。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，所述激发光为激光。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，所述调制光经由第一光纤传输，并由所述照射部接收。

15.根据权利要求14所述的金刚石光磁传感器，其中，所述激发光通过第二光纤传输，并照射到所述金刚石。

16.根据权利要求14所述的金刚石光磁传感器，其中，所述激发光经由所述第一光纤传输，并照射到所述金刚石。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，

所述照射部包含共振器，

所述金刚石配置于所述共振器。

18.根据权利要求2至5中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，所述金刚石配置在距所述光电转换部5mm以内的位置。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，所述照射部将输入的所述调制光作为磁共振用的所述电磁波照射到所述金刚石。

20.根据权利要求1至19中任一项所述的金刚石光磁传感器，其中，

所述金刚石光磁传感器还包含通过导电构件而形成为平滑的形状的收纳部，

所述金刚石以及所述照射部收纳于所述收纳部。

21.一种金刚石光磁传感器系统，其中，

所述金刚石光磁传感器系统包含：

权利要求1至20中任一项所述的金刚石光磁传感器；

生成所述调制光的光调制部；以及

传输所述调制光的传输部，

所述调制光经由所述传输部被传输并由所述照射部接收。