DE102019130480A1

DE102019130480A1 - Hf-fensterung für magnetometrie

Info

Publication number: DE102019130480A1
Application number: DE102019130480.6A
Authority: DE
Inventors: Andrew Raymond MANDEVILLE; Arul Manickam; Gregory Scott Bruce; Peter G. Kaup; Stephen M. Alessandrini
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-11-12
Publication date: 2020-07-09
Also published as: US10564231B1; GB201917114D0

Abstract

Ein System zum magnetischen Erfassen eines externen Magnetfeldes kann eine HF-Anregungsquelle, die einen HF-Anregungsimpuls erzeugt, sowie eine optische Anregungsquelle zum Erzeugen eines optischen Anregungsimpulses enthalten, der auf das magneto-optische Defektzentrumselement wirkt. Das System kann eine Steuerung enthalten, die bewirkt, dass eine Gewichtungsfensterfunktion auf das HF-Anregungssignal angewendet wird, um ein entsprechendes gewichtetes fensterbehaftetes HF-Anregungssignal zu erzeugen, das auf das magneto-optische Defektzentrumselement angewendet wird. Das System kann einen optischen Detektor enthalten, der ein optisches Signal empfängt, das auf dem Licht basiert, das von dem magneto-optischen Defektzentrumselement in Reaktion auf den optischen Anregungsimpuls ausgestrahlt wird. Die Steuerung kann einen Lichterkennungsimpuls vom optischen Detektor empfangen und unter Verwendung des Lichterkennungssignals eine Magnetometriekurve als Funktion der HF-Anregungsfrequenz erzeugen. Die Steuerung ist in der Lage, eine Darstellung eines Magnetfeldes anhand der Magnetometriekurve zu erzeugen.

Description

FELD
Die vorliegende Veröffentlichung bezieht sich im Allgemeinen auf Magnetometer, die magneto-optische Defektzentrumsmaterialien verwenden, vor allem auf HF-Fensterung für HF-Impulse zur Reduzierung von interachsialen Störungen für die Magnetometrie-Systeme.
HINTERGRUND
Die folgende Beschreibung dient dem besseren Verständnis des Lesers. Keine der bereitgestellten Informationen oder zitierten Referenzen ist als Stand der Technik anerkannt. Bei manchen Magnetometern werden magneto-optische Defektzentrumsmaterialien zur Bestimmung eines Magnetfeldes verwendet. Solche Magnetometer sind in der Lage, Licht in das Material des magneto-optischen Defektzentrums zu lenken. Magneto-optische Defektzentrumsmaterialien mit Defektzentren sind dazu geeignet, ein angelegtes Magnetfeld zu erfassen, indem Licht in die Materialien übertragen und das emittierte Reaktionslicht gemessen wird.
Zahlreiche industrielle und wissenschaftliche Bereiche wie Physik und Chemie können von der magnetischen Erkennung und Bildgebung mit einem Gerät profitieren, das eine verbesserte Empfindlichkeit aufweist und/oder die Fähigkeit hat, schnell schwankende Signale (d. h. eine verbesserte Bandbreite) mit einem kleinen, leistungsfähigen und volumenreduzierten Gehäuse zu erfassen. Viele moderne magnetische Abbildungssysteme können unter eingeschränkten Bedingungen betrieben werden, z. B. bei hohen Vakuum- und/oder Kryotemperaturen, wodurch sie für Abbildungsanwendungen, die Umgebungsbedingungen oder andere Bedingungen erfordern, nicht einsetzbar sind. Darüber hinaus erweisen sich kleine, leichte und leistungsstarke (SWAP) Magnetsensoren mit mittlerer Empfindlichkeit, Vektorgenauigkeit und Bandbreite in vielen Anwendungen als besonders nützlich.
ZUSAMMENFASSUNG
Beschrieben werden Verfahren und Systeme unter anderem für ein magneto-optisches Defektzentrumsmagnetometer.
Entsprechend mindestens einem Aspekt kann ein System zur magnetischen Detektion eines externen Magnetfeldes ein magneto-optisches Defektzentrumselement beinhalten, das mehrere magneto-optische Defektzentren umfasst. Das System kann eine Hochfrequenz- (HF-) Anregungsquelle enthalten, die konfiguriert ist, um mindestens einen HF-Anregungsimpuls zu erzeugen, um eine HF-Anregung des magneto-optischen Defektzentrumselements zu bewirken. Das System kann eine optische Anregungsquelle enthalten, die konfiguriert ist, um einen optischen Anregungsimpuls zu erzeugen, der an das magneto-optische Defektzentrumselement angelegt wird. Das System kann einen optischen Detektor enthalten, der konfiguriert ist, um ein optisches Signal auf der Grundlage von Licht zu empfangen, das von dem magneto-optischen Defektzentrumselement in Reaktion auf den optischen Anregungsimpuls emittiert wird. Das System kann eine Steuerung enthalten. Die Steuerung kann die HF-Anregungsquelle steuern, um das mindestens eine HF-Anregungssignal zu erzeugen. Durch die Steuerung kann eine Gewichtungsfensterfunktion auf das mindestens eine von der HF-Anregungsquelle erzeugte HF-Anregungssignal angewendet werden, um mindestens ein entsprechendes gewichtetes, gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen. Das mindestens eine gewichtete, gefensterte HF-Anregungssignal kann an das magneto-optische Defektzentrumselement angelegt werden. Die Steuerung kann einen Lichterkennungsimpuls von dem optischen Detektor empfangen, der auf das optische Signal reagiert, das von dem optischen Detektor empfangen wird, und zwar basierend auf dem Licht, das von dem magnetisch-optischen Defektzentrumselement ausgestrahlt wird. Die Steuerung ist in der Lage, eine Magnetometriekurve in Abhängigkeit von der HF-Anregungsfrequenz, zumindest teilweise, aus dem Lichtdetektionssignal zu erzeugen. Die Steuerung ist in der Lage, eine Darstellung eines Magnetfelds, zumindest teilweise, basierend auf der Magnetometriekurve zu erzeugen.
Bei einigen Implementierungen kann die Funktion Gewichtungsfenster eine Hann-Fenster-Funktion, eine Hamming-Fenster-Funktion, eine Hanning-Poisson-Fenster-Funktion, eine Riemann-Fenster-Funktion oder eine Tschebyscheff-Fenster-Funktion beinhalten.
Bei einigen Implementierungen kann die HF-Anregungsquelle so konfiguriert werden, dass die Gewichtungsfensterfunktion auf ein erstes HF-Anregungssignal angewendet wird, das von der HF-Anregungsquelle erzeugt wird, um ein entsprechendes erstes gewichtetes, gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen. Das erste gewichtete gefensterte HF-Anregungssignal kann an das magneto-optische Defektzentrumselement angelegt werden. Dabei kann die HF-Anregungsquelle so konfiguriert werden, dass die Gewichtungsfensterfunktion auf ein zweites HF-Anregungssignal angewendet wird, das von der HF-Anregungsquelle erzeugt wird, um ein entsprechendes zweites gewichtetes, gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen. Das zweite gewichtete gefensterte HF-Anregungssignal kann für einen Zeitraum τ an das magneto-optische Defektzentrumselement angelegt werden, nachdem das erste gewichtete gefensterte HF-Anregungssignal angelegt wurde. Der Zeitraum τ lässt sich in Abhängigkeit von der Funktion des Gewichtungsfensters definieren. Eine erste Phase des ersten HF-Anregungssignals kann von einer zweiten Phase des zweiten HF-Anregungssignals abweichen.
Bei einigen Implementierungen kann die Gewichtungsfensterfunktion eine Nebenkeulen-Abfallrate aufweisen, die über einem vordefinierten Schwellenwert liegt. Ein Frequenzspektrum der Gewichtungsfensterfunktion kann bei einer vorgegebenen Frequenz eine Null aufweisen. Ein Frequenzspektrum der Gewichtungsfensterfunktion kann eine Nebenkeule bei einer vorgegebenen Frequenz aufweisen. Die Gewichtungsfensterfunktion kann eine nicht-rechteckige Gewichtungsfensterfunktion sein und mindestens eine Breite des mindestens einen HF-Anregungssignals kann anhand der nicht-rechteckigen Gewichtungsfensterfunktion bestimmt werden. Das magneto-optische Defektzentrumselement kann ein Diamantmaterial mit Stickstoff-Fehlstellen (NV) sein, das mehrere NV-Zentren umfasst.
Gemäß mindestens einem weiteren Aspekt kann ein Verfahren zur magnetischen Detektion unter Verwendung eines magneto-optischen Defektzentrumselements, das mehrere Defektzentren umfasst, eine Hochfrequenz (HF)-Anregungsquelle beinhalten, die mindestens ein HF-Anregungssignal erzeugt, um die HF-Anregung des magneto-optischen Defektzentrumselements zu verwenden. Das Verfahren kann eine optische Anregungsquelle umfassen, die einen optischen Anregungsimpuls erzeugt, um an das magneto-optische Defektzentrumselement angelegt zu werden. Das Verfahren kann das Anwenden einer Gewichtungsfensterfunktion auf das mindestens eine von der HF-Anregungsquelle erzeugte HF-Anregungssignal umfassen, um mindestens ein entsprechend gewichtetes, gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen. Das mindestens eine gewichtete gefensterte HF-Anregungssignal wird an das magneto-optische Defektzentrumselement angelegt. Das Verfahren kann einen optischen Detektor umfassen, der ein optisches Signal empfängt, das auf Licht basiert, das von dem magneto-optischen Defektzentrumselement als Reaktion auf den optischen Anregungsimpuls ausgestrahlt wird. Das Verfahren kann eine Steuerung beinhalten, die ein Lichterkennungssignal von dem optischen Detektor empfängt, das auf das optische Signal reagiert, das von dem optischen Detektor empfangen wird, und zwar basierend auf dem Licht, das von dem magneto-optischen Defektzentrumselement ausgestrahlt wird. Das Verfahren kann das Erzeugen einer Magnetometriekurve als Funktion der HF-Anregungsfrequenz beinhalten, wobei zumindest teilweise das Lichterkennungssignal herangezogen wird. Bei diesem Verfahren kann eine Darstellung eines Magnetfeldes zumindest teilweise auf der Grundlage der Magnetometriekurve erzeugt werden.
Bei einigen Implementierungen kann die Funktion Gewichtungsfenster eine Hann-Fenster-Funktion, eine Hamming-Fenster-Funktion, eine Hanning-Poisson-Fenster-Funktion, eine Riemann-Fenster-Funktion oder eine Tschebyscheff-Fenster-Funktion beinhalten.
Bei einigen Implementierungen kann das Anwenden der Gewichtungsfensterfunktion auf das mindestens eine HF-Anregungssignal das Anwenden der Gewichtungsfensterfunktion auf ein erstes HF-Anregungssignal beinhalten, das von der HF-Anregungsquelle erzeugt wird, um ein entsprechendes erstes gewichtetes, gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen, sowie das Anwenden der Gewichtungsfensterfunktion auf ein zweites HF-Anregungssignal, das von der HF-Anregungsquelle erzeugt wird, um ein entsprechendes zweites gewichtetes, gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen. Das erste gewichtete gefensterte HF-Anregungssignal kann an das magneto-optische Defektzentrumselement angelegt werden. Das zweite gewichtete gefensterte HF-Anregungssignal kann für einen Zeitraum τ an das magneto-optische Defektzentrumselement angelegt werden, nachdem das erste gewichtete gefensterte HF-Anregungssignal angelegt wurde. Der Zeitraum τ lässt sich in Abhängigkeit von der Gewichtungsfensterfunktion definieren. Eine erste Phase des ersten HF-Anregungssignals kann von einer zweiten Phase des zweiten HF-Anregungssignals abweichen.
Bei einigen Implementierungen kann die Gewichtungsfensterfunktion eine Nebenkeulen-Abfallrate aufweisen, die über einem vordefinierten Schwellenwert liegt. Ein Frequenzspektrum der Gewichtungsfensterfunktion kann bei einer vorgegebenen Frequenz eine Null aufweisen. Ein Frequenzspektrum der Gewichtungsfensterfunktion kann eine Nebenkeule bei einer vorgegebenen Frequenz aufweisen. Die Gewichtungsfensterfunktion kann eine nicht-rechteckige Gewichtungsfensterfunktion sein und mindestens eine Breite des mindestens einen HF-Anregungssignals kann anhand der nicht-rechteckigen Gewichtungsfensterfunktion bestimmt werden.
Die obige Zusammenfassung dient nur zur Veranschaulichung und soll in keiner Weise einschränkend sein. Zusätzlich zu den oben beschriebenen veranschaulichenden Aspekten, Ausführungsformen und Merkmalen werden weitere Aspekte, Ausführungsformen und Merkmale anhand der folgenden Zeichnungen und der detaillierten Beschreibung ersichtlich.
Figurenliste
Die Einzelheiten zu einer oder mehreren Ausführungsformen sind in den beiliegenden Zeichnungen und der folgenden Beschreibung enthalten. Weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen, in denen:

1 eine Ausrichtung eines Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums (NV) in einem Diamantgitter zeigt;
2 ein Energieniveau-Diagramm zeigt, das Auskunft über die Energieniveaus von Spin-Zuständen für ein NV-Zentrum gibt;
3 ein schematisches Diagramm eines magneto-optischen Defektzentrum-Magnetsensorsystems darstellt;
4 eine graphische Darstellung der Fluoreszenz als Funktion einer angelegten HF-Frequenz eines magneto-optischen Defektzentrums entlang einer gegebenen Richtung für ein Nullmagnetfeld und für ein Magnetfeld der Amplitude B_z darstellt;
5A eine schematische Darstellung einer Ramsey-Sequenz von optischen Anregungsimpulsen und HF-Anregungsimpulsen zeigt;
5B eine schematische Darstellung der Fluoreszenz als Funktion einer angelegten HF-Frequenz für vier verschiedene magneto-optische Defektzentrumsausrichtungen für ein Magnetfeld ungleich Null zeigt;
6 eine schematische Darstellung einiger Implementierungen eines magneto-optischen Defektzentrum-Magnetometrie-Systems zeigt;
7 eine Grafik eines rechteckigen HF-Impulsfensters zeigt;
8 ein Frequenzspektrum des rechteckigen HF-Impulsfensters von 7 zeigt;
9 eine graphische Darstellung des Frequenzspektrums von 8. sowie beispielhafte Anregungsfrequenz-Resonanzen für zwei Achsen eines magneto-optischen Defektzentrumselements in Bezug auf das Frequenzspektrum zeigt;
10 eine graphische Darstellung eines Hann-HF-Impulsfensters zeigt;
11 ein Frequenzspektrum des Hann-HF-Impulsfensters von 10 in Bezug auf das Frequenzspektrum von 8 des rechteckigen HF-Impulsfensters darstellt;
12 ein Diagramm des Frequenzspektrums des Hann-HF-Impulsfensters darstellt und exemplarische Anregungsfrequenz-Resonanzen für zwei Achsen eines magneto-optischen Defektzentrumselements in Bezug auf das Frequenzspektrum darstellt;
13 eine Implementierung eines Verfahrens zum Erfassen eines Magnetfeldes unter Verwendung eines gewichteten HF-Impulsfensters darstellt; und
14 ein Blockdiagramm ist, das eine allgemeine Architektur für ein Computersystem darstellt, das zur Implementierung verschiedener Elemente der hierin beschriebenen und veranschaulichten Systeme und Verfahren verwendet werden kann.

Dabei ist zu beachten, dass es sich bei einigen oder allen Abbildungen um schematische Darstellungen zur Veranschaulichung handelt. Die Figuren dienen der Veranschaulichung von Ausführungsformen unter der ausdrücklichen Voraussetzung, dass sie nicht dazu verwendet werden, den Umfang oder die Bedeutung der Ansprüche einzuschränken.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Atomgroße magneto-optische Defektzentren, wie beispielsweise Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV) in Diamantgittern, können eine ausgezeichnete Empfindlichkeit für die Magnetfeldmessung aufweisen und ermöglichen die Herstellung kleiner Magnetsensoren. Zu magneto-optischen Defektzentrumsmaterialien gehören, ohne darauf beschränkt zu sein, Diamanten, Siliziumkarbid (SiC), Phosphor und andere Materialien mit Stickstoff, Bor, Kohlenstoff, Silizium oder anderen Defektzentren. Diamant-Stickstoff-Fehlstellen-Sensoren (DNV) können bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck gehalten und sogar in flüssigen Umgebungen verwendet werden. Eine grüne optische Quelle (z. B. eine Mikro-LED) kann NV-Zentren des DNV-Sensors optisch anregen und eine Emission von Fluoreszenzstrahlung (z. B. rotes Licht) unter nicht resonanter optischer Anregung verursachen. Ein Magnetfeld, das beispielsweise durch eine Mikrowellenspule erzeugt wird, kann Triplett-Spinzustände (z. B. mit m_s = -1, 0, +1) der NV-Zentren prüfen, um sie auf der Grundlage eines externen Magnetfelds aufzuteilen, das entlang der NV-Achse projiziert wird, was zu zwei Spinresonanzfrequenzen führt. Der Abstand zwischen den beiden Spinresonanzfrequenzen ist ein Maß für die Stärke des äußeren Magnetfeldes. Ein Fotodetektor kann die von den optisch angeregten NV-Zentren emittierte Fluoreszenz (Rotlicht) messen. Bei einigen Implementierungen wird eine Mikrowellen-HF-Anregung bei einem DNV-Sensor verwendet.
Zu den magneto-optischen Defektzentrumsmaterialien gehören solche, die eine optische Wellenlänge des auf das Defektzentrum gerichteten Lichts modifizieren können, und zwar basierend auf einem Magnetfeld, in dem das magneto-defekte Zentrumsmaterial ausgesetzt ist. Bei einigen Implementierungen kann das magneto-optische Defektzentrumsmaterial Stickstoff-Fehlstellen-Zentren nutzen. Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV) sind Defekte in der Kristallstruktur eines Diamanten. Es können synthetische Diamanten erzeugt werden, die diese NV-Zentren aufweisen. NV-Zentren erzeugen rotes Licht, wenn sie von einer Lichtquelle, wie beispielsweise einer grünen Lichtquelle, und Mikrowellenstrahlung angeregt werden. Wenn ein angeregter NV-Diamant einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird, ändert sich die Frequenz der Mikrowellenstrahlung, mit der der Diamant rotes Licht erzeugt, sowie die Intensität des erzeugten roten Lichts. Indem diese Änderung nun gemessen und die Änderung mit der Mikrowellenfrequenz verglichen wird, bei der der Diamant rotes Licht erzeugt, ohne dass das äußere Magnetfeld vorhanden ist, lässt sich die äußere Magnetfeldstärke bestimmen. Dementsprechend können NV-Zentren als Teil eines Magnetfeldsensors verwendet werden.
Das NV-Zentrum in einem Diamanten umfasst ein substituiertes Stickstoffatom in einer Gitterposition neben einer Kohlenstoff-Fehlstelle, wie in 1 dargestellt ist. Das NV-Zentrum kann vier Ausrichtungen aufweisen, die jeweils einer unterschiedlichen kristallographischen Ausrichtung des Diamantgitters entsprechen.
Das NV-Zentrum kann in einem neutralen Ladezustand oder einem negativen Ladezustand vorliegen. Im neutralen Ladezustand wird die Nomenklatur NV° verwendet, während im negativen Ladezustand die Nomenklatur NV verwendet wird, die in dieser Beschreibung verwendet wird.
Das NV-Zentrum weist eine Anzahl von Elektronen auf, darunter drei ungepaarte Elektronen, von denen jedes aus der Leere zu einem der drei Kohlenstoffatome, die an die Leere angrenzen, und ein Elektronenpaar zwischen dem Stickstoff und der Fehlstelle. Ein NV-Zentrum im negativ geladenen Zustand enthält auch ein zusätzliches Elektron.
Das NV-Zentrum weist eine Rotationssymmetrie auf, und, wie in 2 veranschaulicht, weist es einen Grundzustand auf, der ein Spin-Triplett mit ³A₂-Symmetrie mit einem Spin-Zustand m_s = 0 und zwei weiteren Spin-Zuständen m_s = +1 und m_s= -1 ist. Ohne externes Magnetfeld werden die ms = ±1 Energieniveaus aufgrund von Spin-Spin-Wechselwirkungen von den m_s = 0 versetzt, und die m_s = ±1 Energieniveaus sind degeneriert, d. h. sie haben die gleiche Energie. Das Energieniveau des Spinzustands m_s = 0 wird von den Energieniveaus von m_s = ±1 durch eine Energie von 2,87 etwa GHz für ein äußeres Null-Magnetfeld geteilt.
Durch das Einbringen eines externen Magnetfeldes mit einer Komponente entlang der NV-Achse wird die Degeneration der m_s = ±1 Energieniveaus angehoben, indem die Energieniveaus m_s = ±1 um einen Betrag 2gp_BB_z aufgeteilt werden, wobei g der g-Faktor ist, µ_B das Bohr-Magneton ist und B_z die Komponente des externen Magnetfeldes entlang der NV-Achse ist. Dieses Verhältnis trifft für eine erste Ordnung zu und die Einbeziehung von Korrekturen höherer Ordnung gestaltet sich einfach und hat keinen Einfluss auf die Berechnungs- und Logikschritte in den nachfolgend beschriebenen Systemen und Methoden.
Die elektronische Struktur des NV-Zentrums beinhaltet weiterhin einen angeregten Triplettzustand ³E mit den entsprechenden Spinzuständen m_s = 0 und m_s = ±1. Bei den optischen Übergängen zwischen dem Grundzustand ³A₂ und dem angeregten Triplett ³E handelt es sich überwiegend um spinschonende Übergänge, d. h. die optischen Übergänge befinden sich zwischen dem Anfangs- und Endzustand, welche den gleichen Spin aufweisen. Für einen direkten Übergang zwischen dem angeregten Triplett ³E und dem Grundzustand ³A₂ wird ein Photon aus rotem Licht mit einer Photonenenergie ausgesendet, die der Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus der Übergänge entspricht.
Es gibt jedoch eine alternative nicht-strahlende Zerfallsroute vom Triplett ³E in den Grundzustand ³A₂ über intermediäre Elektronenzustände, die als intermediäre Singulettzustände A, E mit intermediären Energieniveaus betrachtet werden. Dabei ist von Bedeutung, dass die Übergangsrate von den m_s = ±1 Spin-Zuständen des angeregten Tripletts ³E zu den mittleren Energieniveaus deutlich größer ist als die Übergangsrate vom Spin-Zustand m_s = 0 des angeregten Tripletts ³E zu den mittleren Energieniveaus. Der Übergang von den Singulett-Zuständen A, E zum Triplett ³A₂-Grundzustand zerfällt überwiegend in den ms = 0 Spin-Zustand über die ms = ±1 Spin-Zustände. Durch diese Merkmale des Zerfalls aus dem angeregten Triplett-³E-Zustand über die Zwischenzustände A, E in den Grundzustand Triplett ³A₂ kann, wenn dem System eine optische Anregung zugeführt wird, die optische Anregung schließlich das NV-Zentrum in den m_s = 0 Spin-Zustand des Grundzustands ³A₂ pumpen. Auf diese Weise kann die Population des Spinzustands m_s = 0 des ³A₂-Grundzustands auf eine maximale Polarisation „zurückgesetzt“ werden, die durch die Abnahmeraten von Triplett-³E zu den dazwischenliegenden Singulett-Zuständen bestimmt wird.
Ein weiteres Merkmal des Zerfalls besteht darin, dass die Fluoreszenzintensität aufgrund der optischen Stimulation des angeregten Triplett-³E-Zustands für die m_s = ±1-Zustände geringer ist als für den Spinzustand m_s = 0. Dies liegt daran, dass der Zerfall über die Zwischenzustände nicht zu einem Photon führt, das im Fluoreszenzband emittiert wird, und an der höheren Wahrscheinlichkeit, dass die m_s = ±1 Zustände des angeregten Triplett-³E-Zustandes über den nicht-strahlenden Zerfallsweg zerfallen. Aufgrund der geringeren Fluoreszenzintensität für die m_s = ±1 Zustände als für den Spin-Zustand m_s = 0 lässt sich die Fluoreszenzintensität zur Bestimmung des Spin-Zustandes nutzen. Wenn die Population der m_s = ±1-Zustände relativ zu dem m_s = 0-Spin zunimmt, wird die Gesamtfluoreszenzintensität verringert.
3 ist eine schematische Darstellung eines NV-Zentrum-Magnetsensorsystems 300, das mit Hilfe der Fluoreszenzintensität die m_s = ±1 Zustände unterscheidet und das Magnetfeld basierend auf der Energiedifferenz zwischen dem m_s = +1-Zustand und dem m_s = -1-Zustand misst, wie sie durch die jedem Zustand entsprechenden HF-Frequenzen bewiesen wird. Das System 300 enthält eine optische Anregungsquelle 310, die die optische Anregung auf ein NV-Diamantmaterial 320 mit NV-Zentren richtet. Das System umfasst ferner eine HF-Anregungsquelle 330, die dem NV-Diamantmaterial 320 HF-Strahlung zuführt. Licht von dem NV-Diamanten kann durch einen optischen Filter 350 zu einer optischen Erfassungsvorrichtung 340 geleitet werden.
Die HF-Anregungsquelle 330 kann zum Beispiel eine Mikrowellenspule sein. Die HF-Anregungsquelle 330 regt beim Emittieren von HF-Strahlung mit einer Photonenenergie, die mit der Übergangsenergie zwischen dem Spingrundzustand m_s = 0 und dem Spinzustand m_s = +1 resonant ist, einen Übergang zwischen diesen Spin-Zuständen an. Für eine solche Resonanz wechselt der Spinzustand zwischen dem Spingrundzustand m_s = 0 und dem Spinzustand m_s = +1, wodurch die Population im Spinzustand m_s = 0 verringert wird und die Gesamtfluoreszenz bei Resonanzen verringert wird. In ähnlicher Weise treten Resonanz und eine anschließende Abnahme der Fluoreszenzintensität zwischen dem m_s = 0 Spin-Zustand und dem m_s= -1 Spin-Zustand des Grundzustands auf, wenn die Photonenenergie der von der HF-Anregungsquelle emittierten HF-Strahlung die Energiedifferenz zwischen dem m_s = 0 Spin-Zustand und dem m_s= -1 Spin-Zustand ist.
Die optische Anregungsquelle 310 kann beispielsweise ein Laser oder eine Leuchtdiode sein, die Licht im grünen Band ausstrahlt (Licht mit einer Wellenlänge, bei der die Farbe Grün ist). Die optische Anregungsquelle 310 induziert eine Fluoreszenz im roten Band, was einem elektronischen Übergang vom angeregten Zustand in den Grundzustand entspricht. Das Licht aus dem NV-Diamantmaterial 320 wird durch den optischen Filter 350 geleitet, um Licht in dem Anregungsband (beispielsweise in dem grünen Band) herauszufiltern sowie um Licht im roten Fluoreszenzband durchzulassen, das wiederum von der optischen Erfassungsvorrichtung 340 erkannt wird. Zusätzlich zur Anregung der Fluoreszenz in dem NV-Diamantmaterial 320 dient die optische Anregungsquelle 310 auch dazu, die Population des Spinzustands m_s = 0 des Grundzustands ³A₂ auf eine maximale Polarisation oder eine andere gewünschte Polarisation zurückzusetzen.
Zur kontinuierlichen Wellenanregung pumpt die optische Anregungsquelle 310 kontinuierlich die NV-Zentren, und die HF-Anregungsquelle 330 durchläuft einen Frequenzbereich, der die Nullteilung der Photonenenergie (wenn die Spinzustände m_s = ±1 die gleiche Energie haben) von etwa 2,87 GHz beinhaltet. Die Fluoreszenz für einen HF-Durchlauf entsprechend einem Diamantmaterial 320 mit NV-Zentren, die entlang einer einzelnen Richtung ausgerichtet sind, ist in 4 für verschiedene B_z-Magnetfeldkomponenten entlang der NV-Achse veranschaulicht, wobei die Energieaufteilung zwischen dem Spinzustand m_s = -1 und dem Spinzustand m_s = +1 mit B_z zunimmt. Auf diese Weise lässt sich die Komponente B_z bestimmen. Andere optische Anregungsschemata als kontinuierliche Wellenanregung werden in Betracht gezogen, wie beispielsweise Anregungsschemata mit gepulster optischer Anregung und gepulster HF-Anregung. Beispiele für gepulste Anregungsschemata sind die Ramsey-Pulsfolge und die Spin-Echo-Pulsfolge.
Die Ramsey-Pulssequenz ist ein gepulstes HF-gepulstes Laserschema, das die freie Präzession des magnetischen Moments im NV-Diamantmaterial 320 mit NV-Zentren misst, und ist eine Technik, die den Elektronenspin-Zustand quantenmechanisch vorbereitet und abtastet. 5A ist ein schematisches Diagramm, das die Ramsey-Pulssequenz veranschaulicht. Wie in 5A umfasst eine Ramsey-Impulssequenz optische Anregungsimpulse sowie HF-Anregungsimpulse über einen Zeitraum von fünf Schritten. In einem ersten Schritt wird während einer Periode 0 ein erster optischer Anregungsimpuls 510 an das System angelegt, um Elektronen optisch in den Grundzustand (d. h. Spinzustand m_s = 0) zu pumpen. Es folgt ein erster HF-Anregungsimpuls 520 (z.B. in Form eines Mikrowellenimpulses (MW) π/2) während eines Zeitraumes 1. Mit dem ersten HF-Anregungsimpuls 520 wird das System in eine Überlagerung der Spinzustände m_s = 0 und m_s = +1 (oder alternativ der Spinzustände m_s = 0 und m_s = -1 versetzt, je nach Wahl des Resonanzorts). Während eines Zeitraumes 2 kann das System über einen, als tau (τ) bezeichneten, Zeitraum frei präzedieren (und dephasieren). Während dieser freien Präzessionsphase misst das System das lokale Magnetfeld und dient als kohärente Integration. Als Nächstes wird während eines Zeitraums 3 ein zweiter HF-Anregungsimpuls 540 (beispielsweise in Form eines MW π/2 - Impulses) angelegt, um das System zurück auf die Basis m_s = 0 und m_s = +1 zu projizieren. Schließlich wird während eines Zeitraums 4 ein zweiter optischer Impuls 530 angelegt, um das System optisch abzutasten und durch Erfassen der Fluoreszenzintensität des Systems eine Messbasis zu erhalten. Die angelegten HF-Anregungsimpulse werden mit einer gegebenen HF-Frequenz bereitgestellt, die einer gegebenen NV-Zentrumsausrichtung entspricht.
In der Regel verfügt das NV-Diamantmaterial 320 über NV-Zentren, die in vier verschiedenen Ausrichtungsklassen angeordnet sind. In 5B wird die Fluoreszenz als Funktion der HF-Frequenz für den Fall veranschaulicht, dass das NV-Diamantmaterial 320 NV-Zentren aufweist, die entlang von Richtungen in vier verschiedenen Ausrichtungsklassen angeordnet sind. In diesem Fall kann die B_z-Komponente entlang jeder der verschiedenen Ausrichtungen bestimmt werden. Zusammen mit der bekannten Ausrichtung der kristallographischen Ebenen eines Diamantgitters lassen sich so nicht nur die Größe des äußeren Magnetfeldes, sondern auch die Richtung des Magnetfeldes bestimmen.
Obwohl in 3 ein NV-Mittelmagnetsensorsystem 300 mit NV-Diamantmaterial 320 mit mehreren NV-Zentren veranschaulicht wird, kann das Magnetsensorsystem im Allgemeinen stattdessen ein anderes magneto-optisches Defektzentrumsmaterial mit mehreren magneto-optischen Defektzentren nutzen. Die elektronischen Spin-Zustandsenergien der magneto-optischen Defektzentren verschieben sich mit dem Magnetfeld, und die optische Reaktion, wie z.B. die Fluoreszenz, für die verschiedenen Spinzustände ist nicht für alle Spinzustände gleich. So kann das Magnetfeld auf der Grundlage einer optischen Anregung und möglicherweise einer HF-Anregung auf eine Weise bestimmt werden, die der oben mit NV-Diamantmaterial beschriebenen entspricht. Zu den Materialien für magneto-optische Defektzentren gehören unter anderem Diamanten, Siliziumkarbid (SiC) und andere Materialien mit Stickstoff, Bor oder anderen chemischen Defektzentren. Unsere Verweise auf Diamant-Stickstoff-Fehlstellen und Diamanten gelten für magneto-optische Defektzentrumsmaterialien und deren Variationen.
6 ist eine schematische Darstellung eines Systems 600 für ein magneto-optisches Defektzentrum-Magnetometriesystem, gemäß einigen Ausführungen. Das System 600 umfasst eine optische Anregungsquelle 610, die eine optische Anregung auf ein NV-Diamantmaterial 620 mit NV-Zentren oder ein anderes magneto-optisches Defektzentrumsmaterial mit magneto-optischen Defektzentren erzeugen und richten kann. Eine HF-Anregungsquelle 630 ist in der Lage, HF-Strahlung zur Anregung des NV-Diamantmaterials 620 bereitzustellen. Ein Magnetfeldgenerator 670 kann ein Magnetfeld erzeugen, das am NV-Diamantmaterial 620 erfasst wird.
Der Magnetfeldgenerator 670 kann beispielsweise Magnetfelder mit orthogonalen Polarisationen erzeugen. In diesem Zusammenhang kann der Magnetfeldgenerator 670 zwei oder mehr Magnetfeldgeneratoren, wie beispielsweise zwei oder mehr Helmholtz-Spulen oder andere magnetische elektronische Vorrichtungen, beinhalten. Die zwei oder mehr Magnetfeldgeneratoren können konfiguriert werden, um entsprechende Magnetfelder mit vorbestimmten Richtungen zu erzeugen. Jeder der zwei oder mehr Magnetfeldgeneratoren kann ein entsprechendes relativ gleichmäßiges Magnetfeld am NV-Diamantmaterial 620 erzeugen. Die vorgegebenen Richtungen können orthogonal zueinander sein. Zusätzlich können die zwei oder mehreren Magnetfeldgeneratoren des Magnetfeldgenerators 670 an derselben Position angeordnet oder voneinander getrennt sein. In dem Fall, dass die zwei oder mehreren Magnetfeldgeneratoren voneinander getrennt sind, können die zwei oder mehreren Magnetfeldgeneratoren in einer Anordnung angeordnet sein, wie beispielsweise einer eindimensionalen oder einer zweidimensionalen Anordnung.
Das System 600 kann angeordnet sein, um ein oder mehrere optische Erfassungssystem(e) 605 zu beinhalten, wobei jedes der optischen Erfassungssysteme 605 den optischen Detektor 640, die optische Anregungsquelle 610 und das NV-Diamantmaterial 620 beinhalten kann. Darüber hinaus kann der Magnetfeldgenerator 670 im Vergleich zu einem oder mehreren optischen Erfassungssystem(en) 605 eine relativ hohe Leistung aufweisen. Auf diese Weise können das eine oder mehrere optische System(e) 605 in einer Umgebung eingesetzt werden, die eine relativ geringere Leistung für die optischen Systeme 605 benötigt, während der Magnetfeldgenerator 670 in einer Umgebung eingesetzt werden kann, in der eine relativ hohe Leistung für den Magnetfeldgenerator 670 verfügbar ist, um ein relativ starkes Magnetfeld anzulegen.
Das System 600 beinhaltet ferner eine Steuerung 680, die konfiguriert ist, um ein Lichterkennungssignal vom optischen Detektor 640 zu empfangen und eine Magnetometriekurve zu erzeugen, als eine Funktion der HF-Anregungsfrequenz, und zumindest teilweise, auf dem Lichterkennungssignal basierend. Die Steuerung 680 ist in der Lage, mit Hilfe der Magnetometriekurve eine Darstellung des Magnetfelds zu erzeugen. Die Steuerung 680 kann konfiguriert sein, um die optische Anregungsquelle 610, die HF-Anregungsquelle 630, die zwei oder mehr Magnetfeldgeneratoren 670 oder eine Kombination davon zu steuern. Die Steuerung 680 kann eine einzelne Steuerung sein oder mehrere untergeordnete Steuerungen haben. Für eine Steuerung 680, die mehrere untergeordnete Steuerungen beinhaltet, kann jede der untergeordneten Steuerungen verschiedene Funktionen ausführen, wie z.B. die Steuerung verschiedener Komponenten des Systems 600. Die zwei oder mehreren Magnetfeldgeneratoren 670 können beispielsweise von der Steuerung 680 über einen Verstärker 660 gesteuert werden.
Die HF-Anregungsquelle 630 kann zum Beispiel eine Mikrowellenspule sein. Die HF-Anregungsquelle 630 kann HF-Strahlung mit einer Photonenenergie emittieren, die mit der Übergangsenergie zwischen dem Grund-Spinzustand m_s = 0 und dem Spinzustand m_s = ±1 resonant ist, wie oben in Bezug auf 3 erläutert ist. Die Anregungsquelle 630 ist in der Lage, HF-Strahlung an anderen nicht-resonanten Photonenenergien abzugeben.
Die optische Anregungsquelle 610 kann beispielsweise ein Laser oder eine Leuchtdiode sein, die in der Lage ist, Licht in das grüne Band oder ein anderes Lichtband zu emittieren. Die optische Anregungsquelle 610 vermag aus dem NV-Diamantmaterial 620 rote Fluoreszenz zu induzieren, wobei die Fluoreszenz einem Elektronenübergang vom angeregten Zustand in den Grundzustand entspricht. Licht aus dem NV-Diamantmaterial 620 kann durch den optischen Filter 650 geleitet werden, um Licht aus dem Anregungsband (z. B. im grünen Band) herauszufiltern und Licht aus dem roten Fluoreszenzband zu leiten, das wiederum durch den optischen Detektor 640 erfasst werden kann. Zusätzlich zur Anregung der Fluoreszenz in dem NV-Diamantmaterial 620 dient die optische Anregungslichtquelle 610 auch dazu, die Population des Spinzustands m_s = 0 des Grundzustands ³A₂ auf eine maximale Polarisation oder eine andere gewünschte Polarisation zurückzusetzen.
Die Steuerung 680 kann so konfiguriert werden, dass sie die optische Anregungsquelle 610, die HF-Anregungsquelle 630, den Magnetfeldgenerator 670 oder eine Kombination davon steuert. Die Steuerung kann einen Prozessor 682, einen Speicher 684, eine elektronische Schaltung oder eine Kombination davon enthalten. Der Speicher 684, der ein nichtflüchtiges, computerlesbares Medium beinhalten kann, ist in der Lage, Befehle zu speichern, die vom Prozessor 682 ausgeführt werden können, um die Steuerung des Betriebs der optischen Anregungsquelle 610, der HF-Anregungsquelle 630, des Magnetfeldgenerators 670 oder einer Kombination davon zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass die Steuerung 680 mit ausführbaren Anweisungen programmiert werden kann, um beispielsweise Steueroperationen durchzuführen und eine Magnetfelddarstellung zu berechnen.
Gemäß bestimmter Ausführungsformen kann die Steuerung 680 den Betrieb der optischen Anregungsquelle 610, der HF-Anregungsquelle 630, des Magnetfeldgenerators 670 oder einer Kombination davon steuern, um die optisch erfasste Magnetresonanz (ODMR) durchzuführen. Insbesondere ist der Magnetfeldgenerator 670 zum Anlegen eines Vormagnetisierungsfeldes geeignet, das die Intensitätsreaktionen entsprechend der Elektronenspinresonanzen für jede der vier NV-Zentrumsausrichtungen ausreichend trennt. Die Steuerung 680 kann Eigenschaften (z. B. Intensität, Richtung, Zeitsteuerung) von Magnetfeldern steuern, die durch den Magnetfeldgenerator 670 erzeugt werden. Die Steuerung 680 kann die optische Anregungsquelle 610 steuern, um eine optische Anregung für das NV-Diamantmaterial 620 zu erzeugen, bzw. die HF-Anregungsquelle 630, um eine HF-Anregung für das NV-Diamantmaterial 620 oder eine Kombination davon zu erzeugen. So kann beispielsweise die Steuerung 680 die Eigenschaften (z. B. Frequenzspektrum, Amplitude, Phase oder eine Kombination davon) der von der HF-Anregungsquelle 610 ausgesendeten HF-Signale sowie den Zeitpunkt der Emission der HF-Signale steuern. Die Steuerung 680 ist in der Lage, die Eigenschaften (z. B. Farbe oder Frequenzband, Intensität, Polarisation oder eine Kombination davon) der von der optischen Anregungsquelle 630 emittierten optischen Signale und den Zeitpunkt der Emission der optischen Signale zu steuern.
Die Steuerung 680 kann resultierende Fluoreszenzintensitätsreaktionen für jede der NV-Achsen im Laufe der Zeit sammeln (oder empfangen), um die Komponenten des externen Magnetfeldes B_z zu bestimmen, die entlang der Richtungen der vier Zentrumsausrichtungen der NV ausgerichtet sind, die jeweils den vier kristallographischen Diamantgitterachsen des NV-Diamantmaterials 620 entsprechen. Die Steuerung 680 kann anhand der ermittelten Komponenten des externen Magnetfelds B_z das geschätzte Vektormagnetfeld berechnen, das auf das System 600 einwirkt. Das während des Messvorgangs verwendete Anregungsschema (z. B. die angewandte optische Anregung und die angewandte HF-Anregung) kann jedes geeignete Anregungsschema sein. Beispielsweise kann das Anregungsschema eine kontinuierliche Wellenmagnetometrie (continuous wave magnetometry CW-Magnetometrie), eine gepulste Magnetometrie und Variationen der CW- und Impulsmagnetometrie (z. B. gepulste HF-Anregung mit optischer CW-Anregung) verwenden. In Fällen, in denen Ramsey Impuls-HF-Sequenzen verwendet werden, können die Pulsparameter π und τ mit Hilfe von Rabi-Analysen und FID-Tau-Durchläufen vor dem Sammelverfahren optimiert werden, wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung Nr. 15/003,590 „APPARATUS AND METHOD FOR HIGH SENSITIVITY MAGNETOMETRY MEASUREMENT AND SIGNAL PROCESSING IN A MAGNETIC DETECTOR SYSTEM“ vom 21. Januar 2016 beschrieben, deren Inhalt hiermit durch einen vollständigen Verweis einbezogen wird. Die Impulsparameter π und τ können auch unter Verwendung anderer Optimierungsschemata optimiert werden.
Während des Messwerterfassungsvorgangs können Schwankungen bei der gemessenen Intensitätsreaktion auftreten, die auf Einflüsse durch Komponenten des Systems 600 zurückzuführen sind und nicht auf tatsächliche Veränderungen des äußeren Magnetfeldes. So kann beispielsweise eine verlängerte optische Anregung des NV-Diamantmaterials durch die optische Anregungsquelle 610 vertikale (z. B. rote Photolumineszenzintensität) Schwankungen oder eine vertikale Drift in der Intensitätsreaktion verursachen, wodurch sich die Ansprechkurve mit der Zeit nach oben oder unten verschiebt.
Die Steuerung 680 kann bewirken, dass die HF-Anregungsquelle 630 und/oder die optische Anregungsquelle 610 das NV-Diamantmaterial 620 gemäß einer Ramsey-Pulssequenz oder einer anderen Pulssequenz anregt. Die Ramsey-Pulssequenz ist ein gepulstes HF-Schema, von dem angenommen wird, dass es die freie Präzession des magnetischen Moments von Spinzuständen in einem Magnetfeld misst. Bei einigen Implementierungen können zwei oder mehr als zwei Impulsfolgen verwendet werden, wie sie in der am 11. Juli 2017 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 62/531,340 „PHASE SHIFTED MAGNETOMETRY ADAPTIVE CANCELLATION“ beschrieben sind, deren Inhalt hiermit durch einen vollständigen Verweis einbezogen wird. In der Regel kann die verwendete Impulsfolge einen oder mehrere HF-Impulse (oder HF-Anregungssignale) enthalten.
Bei einigen Implementierungen kann die optische Anregung für die Ramsey-Pulssequenz in Form einer kontinuierlichen optischen Anregung erfolgen, die vor, während und nach jedem Paar von HF-Anregungsimpulsen kontinuierlich ist. Eine solche kontinuierliche Wellentechnik für die optische Anregung (Auslesen) in einer Ramsey-Pulssequenz wird beispielsweise in der am 15. Dezember 2016 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 15/380,419 mit dem Titel „SELECTED VOLUME CONTINUOUS ILLUMINATION MAGNETOMETER“ beschrieben, deren Inhalt hiermit durch einen vollständigen Verweis einbezogen wird.
Wie in 7 gezeigt, kann ein exemplarischer HF-Impuls als rechteckiger, gefensterter HF-Impuls 700 erzeugt werden. Das heißt, wenn ein magneto-optisches Defektzentrumsmagnetometer im gepulsten Modus betrieben wird, indem HF-Impulse zur Anregung des magneto-optischen Defektzentrumsspins verwendet werden, werden rechteckige, gefensterte HF-Impulse 700 erzeugt und für Rabi, Ramsey oder andere Impulsfolgen verwendet. Diese rechteckigen, gefensterten HF-Impulse werden von einem Modell abgeleitet, bei dem das magneto-optische Defektzentrum für eine bestimmte Zeitdauer durch einen HF-Ton angeregt wird. Jeder Ton von endlicher Dauer enthält jedoch zusätzliche Frequenzinhalte. Für einen rechteckigen, gefensterten HF-Impuls 700 wird das Spektrum 800 des Frequenzinhalts in 8 dargestellt, das um den Träger herum gemäß einer sin(x)/x-Verteilung verteilt ist, wobei sich der Großteil der Energie in der Hauptkeule 810 befindet, während sich die verbleibende Energie in einer unendlichen Reihe von Nebenkeulen 820 befindet, die die Festigkeit gegenüber der Hauptkeule 810 verringern. Ein optischer Anregungsimpuls kann an das System angelegt werden, um Elektronen optisch in den Grundzustand zu pumpen (d. h. m_s = 0 Spin-Zustand). Diesem kann ein erster rechteckiger, gefensterter HF-Anregungsimpuls mit einer vordefinierten Impulsbreite folgen. Der erste rechteckige, gefensterte HF-Anregungsimpuls kann das System in eine Überlagerung der Spinzustände m_s = 0 und m_s= +1 versetzen (oder alternativ die Spinzustände m_s = 0 und m_s = -1, abhängig von der Wahl des Resonanzorts). Nach dem ersten rechteckigen, gefensterten HF-Anregungsimpuls können die Spins über einen Zeitraum von τ₁ frei präzedieren (und dephasieren). Während dieser freien Präzessionsphase präzediert das System im lokalen Magnetfeld mit einer dem Magnetfeld proportionalen Rate und dient als kohärente Integration. Anschließend kann ein zweiter rechteckiger, gefensterter HF-Anregungsimpuls angelegt werden, um das System wieder auf die Basis m_s = 0 und m_s = +1 zurück zu projizieren (oder alternativ die Spin-Zustände m_s = 0 und m_s = -1, abhängig von der Wahl des Resonanzortes). Die Impulsbreite der ersten und zweiten rechteckigen, gefensterten HF-Anregungsimpulse kann zum Beispiel gleich sein. Bei einigen Implementierungen kann sich die Impulsbreite der ersten und zweiten rechteckigen, gefensterten HF-Anregungsimpulse voneinander unterscheiden. Schließlich kann ein zweiter optischer Impuls zum optischen Abtasten des Systems angelegt werden und eine Messbasis kann durch Erfassen der Fluoreszenzintensität aus dem magneto-optischen Defektzentrumsmaterial erhalten werden.
Die ersten und zweiten rechteckigen, gefensterten HF-Anregungsimpulse können eine Phasendifferenz (z. B. eine Phasendifferenz ungleich Null) zueinander aufweisen. Die Phase für jeden der ersten und zweiten rechteckigen HF-Anregungsimpulse kann von der Steuerung 680 eingestellt werden. Die Steuerung 680 kann einen digitalen Phasenschieber zum Steuern der Phase der rechteckigen, gefensterten Anregungsimpulse beinhalten (oder mit diesem gekoppelt sein).
Bei mehrachsigen Magnetometrie-Vorrichtungen kann eine potenzielle Fehlerquelle entstehen, wenn die Nebenkeulenreaktion eines eine Achse erregenden Impulses eine Hauptkeulenreaktion eines eine separate Achse erregenden Impulses stört. Dies bedeutet, dass, wie in 9 dargestellt, sich die Hauptkeule 910 eines rechteckigen, gefensterten HF-Impulses 900 verwenden lässt, um eine erste Achse eines magneto-optischen Defektzentrumselements zu erregen und eine erste Resonanz 950 zu erzeugen. In einigen Fällen kann eine zweite Achse des magneto-optischen Defektzentrumselements eine zweite Resonanz 960 aufweisen, in die die Nebenkeulen 920 des rechteckigen gefensterten HF-Impulses 900 interferieren können. Diese Interferenz zwischen den Achsen kann zu Messungenauigkeiten führen, die die Leistung in bestimmten Anwendungen beeinträchtigen können. Rechteckige, gefensterte HF-Impulse (siehe 7) weisen eine niedrige Nebenkeulen-Abfallrate (SLDR) auf, was bedeutet, dass die Intensität der Nebenkeulen 820 von 8 bei einer niedrigen logarithmischen Rate abnimmt, wenn sich der Abstand zur Frequenz der Hauptkeule 810 erhöht. Infolgedessen kann die Reaktion der Nebenkeule 920 von einem HF-Impuls für eine erste Achse des magneto-optischen Defektzentrumselements eine Hauptkeulenreaktion für eine zweite Achse des magneto-optischen Defektzentrumselements stören, wie in 9 dargestellt. Außerdem steigen die Werte der HF-Impulsnebenkeulen mit zunehmender HF-Leistung, was zu einer Zunahme der Interferenz zwischen den Achsen führt.
In einigen Fällen kann ein größerer Vorspannungsmagnet eingesetzt werden, um den Resonanzfrequenzabstand zwischen den Grundliniengittern des magneto-optischen Defektzentrumselements zu erhöhen, um die Resonanzreaktion der Hauptkeule für die zweite Achse des magneto-optischen Defektzentrumselements auf eine Nebenkeule geringerer Intensität (z. B. weiter weg von der Hauptkeule) zu verschieben, um die Interferenz zwischen den Achsen zu reduzieren. Die Nebenkeulen-Abfallrate tritt jedoch als niedrige logarithmische Rate für einen rechteckigen, gefensterten HF-Impuls auf und erfordert daher einen größeren Frequenzabstand, um die Intensität der Nebenkeulen 920 zu verringern.
Eine Gewichtungsfunktion für das HF-Fenster (z. B. Hann-Fenster, Hamming-Fenster, Parzen-Fenster, Welch-Fenster, Sinusfenster, Dreiecksfenster o. ä.) kann verwendet werden, um den HF-Impuls so zu formen, dass die Intensität der Nebenkeulen mit zunehmendem Frequenzabstand zur Hauptkeule reduziert werden kann. Das bedeutet, dass die Gewichtungsfunktion für die Fensterung gewählt werden kann, um einen schnelleren Abfall der Intensität der Nebenkeulen für die Energie im Impuls zu erzeugen. Wie in 10 dargestellt, kann ein exemplarischer HF-Impuls als Hann-gefensterter HF-Impuls 1000 erzeugt werden. Anstelle eines Quadratimpulses für den rechteckigen gefensterten HF-Impuls (siehe 7) weist der Hann-gefensterte HF-Impuls 1000 einen Cosinus oder ein Cosinus-Quadratprofil auf, um zunächst eine geringere Intensität zu haben, um dann auf eine Spitzenintensität zu wachsen und anschließend die Intensität wieder auf Null zu verringern. Der resultierende Hann-gefensterte HF-Impuls weist ein Spektrum von 1100 Frequenzinhalten auf, wie in 11 dargestellt, das um die Hauptkeule 1110 mit einem hohen SLDR verteilt ist und dazu verwendet werden kann, die HF-Impulse so zu gestalten, dass die Intensität der resultierenden Nebenkeulen 1120 mit zunehmendem Frequenzabstand von der Hauptkeule 1110 deutlich verringert wird. Da die resultierenden Nebenkeulen 1120 eine reduzierte Intensität bei kürzeren Frequenzabständen von der Hauptkeule 1110 aufweisen, führt dies zu einer Interferenz zwischen den Achsen, ohne dass der Resonanzgang der Hauptkeule für eine zweite Achse des magneto-optischen Defektzentrumselements verschoben wird. Andere gefensterte HF-Impulse (z. B. mit einem SLDR, der einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet, oder mit anderen Merkmalen) können mit anderen Gewichtungsfunktionen wie Hamming-Fenster, Parzen-Fenster, Welch-Fenster, Sinusfenster, Nuttall-Fenster, Blackman-Nuttall-Fenster, Blackman-Harris-Fenster, Gauß-Fenster, Dreiecksfenster oder dergleichen erzielt werden. Im Vergleich dazu hat der rechteckig gefensterte HF-Impuls größere Nebenkeulen 820 mit einem niedrigeren SLDR.
Während der Hann-gefensterte HF-Impuls die Intensität der Nebenkeule 1120 verringert, kann die Intensität der Hauptkeule 1110 im Vergleich zu einem ähnlich betriebenen rechteckigen gefensterten HF-Impuls reduziert werden, was zu weniger HF-Energie bei der Trägerfrequenz für die Hauptkeule 1110 führt. Die Trägerenergie kann durch Erhöhung der HF-Leistung zurückgewonnen werden, und eine Hann-Fenster-Funktion ist ideal geeignet, da sie einen großen SLDR mit einer minimalen Abnahme der Frequenzauflösung für die Hauptkeule 1110 erzeugt.
Bei mehrachsigen Magnetometrievorrichtungen weist die Nebenkeulenreaktion eines eine Achse erregenden Impulses eine reduzierte Interferenz mit einer Hauptkeulenreaktion eines eine separate Achse erregenden Impulses auf. Das bedeutet, dass, wie in 12 dargestellt, die Hauptkeule 1210 eines Hann-gefensterten HF-Impulses 1200 sich dazu eignet, eine erste Achse eines magneto-optischen Defektzentrumselements zu erregen und eine erste Resonanz 1250 zu erzeugen. In einigen Fällen kann eine zweite Achse des magneto-optischen Defektzentrumselements eine zweite Resonanz 1260 aufweisen, die der Nebenkeule 1220 des Hann-gefensterten HF-Impulses mit einer reduzierten Intensität entspricht, was zu einer geringeren Interferenz im Vergleich zu der Interferenz führt, die mit dem in 9 dargestellten rechteckigen gefensterten HF-Impuls verknüpft ist.
Während eine Hann-Fenster-Funktion oben in Bezug auf 10-12 beschrieben wurde, eignen sich andere Gewichtungsfunktionen für die Fensterung, wie z .B. eine Hamming-Fenster-Funktion, Tschebyscheff-Fenster-Funktion, Riemann-Fenster-Funktion, Hanning-Poisson-Fenster-Funktion, Taylor-Fenster-Funktion, Parzen-Fenster-Funktion, Welch-Fenster-Funktion, Sinus-Fenster-Funktion, Nuttall-Fenster-Funktion, Blackman-Nuttall-Fenster-Funktion, Blackman-Harris-Fenster-Funktion, Gauß-Fenster-Funktion, Dreiecksfensterfunktion, usw. Bei einigen Implementierungen eignet sich auch eine würfelförmige oder vierte betriebene cosinusgewichtete Hann-Funktion.
Bei Implementierungen mit Fensterfunktionen, wie z. B. der Hann-Fenster-Funktion, kann ein optischer Anregungsimpuls an das System angelegt werden, um Elektronen optisch in den Grundzustand zu pumpen (d. h. Spin-Zustand m_s = 0). Hierauf kann ein erster Hann-gefensterter HF-Anregungsimpuls mit einer Impulsbreite folgen. Der erste Hann-gefensterte HF-Anregungsimpuls kann das System in eine Überlagerung der Spinzustände m_s = 0 und m_s = +1 versetzen (oder alternativ die Spinzustände m_s = 0 und m_s = -1, abhängig von der Wahl des Resonanzortes). Nach dem ersten Hann-gefensterten HF-Anregungsimpuls können die Spins über einen Zeitraum von τ₁ frei präzedieren (und dephasieren). Während dieser freien Präzessionsphase präzediert das System im lokalen Magnetfeld mit einer dem Magnetfeld proportionalen Rate und dient als kohärente Integration. Anschließend kann ein zweiter Hann-gefensterter HF-Anregungsimpuls angelegt werden, um das System wieder auf die Basis m_s = 0 und m_s = +1 zurück zu projizieren (oder alternativ die Spin-Zustände m_s = 0 und m_s = -1, abhängig von der Wahl des Resonanzorts). Die Impulsbreite des ersten und des zweiten Hann-gefensterten HF-Anregungsimpulses kann zum Beispiel gleich sein. Schließlich kann ein zweiter optischer Impuls zum optischen Abtasten des Systems angelegt werden und eine Messbasis kann durch Erfassen der Fluoreszenzintensität aus dem magneto-optischen Defektzentrumsmaterial erhalten werden.
Die ersten und zweiten Hann-gefensterten HF-Anregungsimpulse (oder andere erste und zweite gewichtete gefensterte HF-Anregungsimpulse) können eine Phasendifferenz zueinander aufweisen. Die Phase für jeden der ersten und zweiten gefensterten HF-Anregungsimpulse kann durch die Steuerung 680 eingestellt werden. Die Steuerung 680 kann einen digitalen Phasenschieber zum Steuern der Phase der gefensterten HF-Anregungsimpulse beinhalten. Die Steuerung 680 kann auch einen linearen Verstärker und einen Wellenform-Generator zur Erzeugung der gewichteten Funktion beinhalten, um den HF-Impuls mit dem Gewichtungs-Funktionsfensterprofil, wie beispielsweise das vorstehend beschriebene Hann-HF-Fenster, zu erzeugen.
Da die Fensterfunktion den Frequenzgang des Systems beeinflussen kann, lässt sich der Zeitraum τ zwischen den Impulsen und/oder die Impulsbreite empirisch bestimmen, z. B. durch eine umfassende Suche über Impulsbreite und Präzessionszeit. Der Zeitraum τ kann (z. B. durch die Steuerung 680) basierend auf der Impulsbreite der verwendeten HF-Impulse bestimmt werden.
Bei einigen Implementierungen kann die Steuerung 680 (oder eine andere Entität) den/die gewichteten HF-Impuls(e) oder die entsprechende Gewichtungsfensterfunktion auswählen, so dass die Gewichtungsfensterfunktion (oder der/die gewichtete(n) HF-Impuls(e)) eine Nebenkeulenabfallsrate (SLDR) aufweisen kann, die höher als ein vordefinierter Schwellenwert ist. Die Steuerung 680 (oder eine andere Entität) kann den/die gewichteten HF-Impuls(e) oder die entsprechende Gewichtungsfensterfunktion so auswählen, dass das Frequenzspektrum der Gewichtungsfensterfunktion (oder des gewichteten HF-Impulses) bei einer vorbestimmten Frequenz eine Null aufweisen kann. So kann beispielsweise definiert werden, dass sich die Null überlagert oder mit einer Resonanzfrequenz einer anderen Achse des Diamantmaterials NV 620 übereinstimmt, um Interferenzen zwischen den Achsen zu minimieren. Die Steuerung 680 (oder eine andere Entität) kann den/die gewichteten HF-Impuls(e) oder die entsprechende Gewichtungsfensterfunktion so auswählen, dass das Frequenzspektrum der Gewichtungsfensterfunktion (oder des/der gewichteten HF-Impuls(e)) eine Nebenkeule mit einer vordefinierten Frequenz (z. B. Überlagerung oder Übereinstimmung mit einer Resonanzfrequenz einer der Achsen des NV-Diamantmaterials 620) aufweisen kann. Die Nebenkeule kann so definiert sein, dass sie eine Amplitude aufweist, die größer oder gleich einem vordefinierten Wert ist. Im Allgemeinen kann die Steuerung 680 (oder eine andere Einheit) zum Ändern des Frequenzspektrums die Gewichtungsfensterfunktion auswählen.
In Bezug auf 13 wird ein Flussdiagramm eines Verfahrens (oder einer Methode) 1300 zum Erfassen eines Magnetfeldes gemäß den erfinderischen Konzepten dieser Offenbarung dargestellt. Das Verfahren 1300 kann beispielsweise durch das System 600 (dargestellt in 6) oder Komponenten davon durchgeführt werden. Bei dem Verfahren 1300 kann das Erzeugen eines Hochfrequenz (HF)-Anregungssignals (Block 1302) und das Erzeugen eines optischen Anregungsimpulses (Block 1304) vorgesehen werden. Die Methode 1300 kann das Anwenden einer Gewichtungsfensterfunktion auf das HF-Anregungssignal (Block 1306) beinhalten. Dabei kann die Methode 1300 einen optischen Detektor beinhalten, der ein optisches Signal empfängt, das auf den optischen Anregungsimpuls reagiert (Block 1308), sowie eine Steuerung (z. B. die Steuerung 680 oder einen dem System 600 zugeordneten Prozessor), die ein Lichterkennungssignal empfängt, das auf den optischen Detektor reagiert, der das optische Signal empfängt (Block 1308). Die Methode 1300 kann das Erzeugen einer Magnetometriekurve unter Verwendung des Lichterkennungssignals (Block 1312) und das Erzeugen einer Darstellung eines Magnetfeldes basierend auf der Magnetometriekurve (Block 1314) umfassen.
Die Methode 1300 kann eine HF-Anregungsquelle (wie z. B. die HF-Anregungsquelle 630) beinhalten, die mindestens ein HF-Anregungssignal erzeugt, um ein magneto-optisches Defektzentrumselement, wie z. B. das NV Diamantmaterial 620 (Block 132), anzuregen. Die HF-Anregungsquelle 630 lässt sich so konfigurieren, dass sie ein einzelnes HF-Anregungssignal oder eine HF-Anregungssequenz mit mehreren HF-Anregungssignalen erzeugt.
Die Methode 1300 kann eine optische Anregungsquelle, wie beispielsweise die optische Anregungsquelle 610, beinhalten, die einen optischen Anregungsimpuls erzeugt. Die optische Anregungsquelle 610 kann den optischen Anregungsimpuls in Richtung des magneto-optischen Defektzentrumselements, wie beispielsweise des Diamantmaterials 620 von NV, emittieren. Die optische Anregungsquelle 610 kann einen oder mehrere optische Anregungsimpulse erzeugen und emittieren. Die optische Anregungsquelle 610 kann den/die optischen Anregungsimpuls(e) in einem vordefinierten Farb- (oder Frequenz-) Band, wie beispielsweise dem grünen Band, erzeugen.
Die Methode 1300 kann das Anwenden einer Gewichtungsfensterfunktion auf den einen oder die mehreren HF-Anregungsimpulse beinhalten, um einen oder mehrere entsprechende gewichtete, gefensterte HF-Anregungsimpulse zu erzeugen (Block 1308). Die Steuerung 680 kann bewirken, dass ein Wellenformgenerator und ein Linearverstärker eine vordefinierte Gewichtungsfensterfunktion (z. B. eine nicht-rechteckige Gewichtungsfensterfunktion) erzeugen. Das heißt, die Steuerung 680 kann einen Wellenform-Generator und einen linearen Verstärker beinhalten (oder mit diesem gekoppelt werden), die für die zu erzeugende oder zu verwendende Gewichtungsfunktion spezifisch sind. Die Steuerung 680 kann einen oder mehrere Parameterwerte an einen separaten Wellenform-Generator und/oder Linearverstärker ausgeben, um eine vordefinierte Gewichtungsfunktion zu erzeugen. Beispielsweise kann die Steuerung 680 dem Wellenformgenerator Abtastwerte der Gewichtungsfensterfunktion bereitstellen. Die Gewichtungsfensterfunktion kann eine nicht-rechteckige Fensterfunktion sein, wie z. B. Hann-Fenster-Funktion, eine Hamming-Fenster-Funktion, Tschebyscheff-Fenster-Funktion, Riemann-Fensterfunktion, Hanning-Poisson-Fenster-Funktion, Taylor-Fenster-Funktion, Parzener Fenster-Funktion, Welch-Fenster-Funktion, Sinusfensterfunktion, Nuttall-Fenster-Funktion, Blackman-Nuttall-Fenster-Funktion, Blackman-Harris-Fenster-Funktion, Gauß-Fenster-Funktion, Dreiecksfensterfunktion oder dergleichen.
Die Steuerung 680 kann bewirken, dass die Gewichtungsfensterfunktion der HF-Anregungsquelle 630 oder einer anderen Komponente des Systems 600 (z. B. einer Multiplikatorkomponente oder einer Filterkomponente) bereitgestellt wird. Die Steuerung 680 kann die HF-Anregungsquelle steuern, indem sie die nicht rechteckige Gewichtungsfunktion an die HF-Anregungsquelle ausgibt und/oder bewirkt, dass die nicht rechteckige Gewichtungsfunktion an die HF-Anregungsquelle ausgegeben wird, um einen gewichteten gefensterten HF-Anregungsimpuls zur Bestrahlung eines magneto-optisches Defektzentrumselements zu erzeugen. Das Erzeugen des/der gewichteten gefensterten HF-Anregungsimpulse kann das Multiplizieren (z. B. punktweise Multiplikation) des HF-Anregungssignals mit der Gewichtungsfensterfunktion oder das Falten (oder Filtern) des HF-Anregungssignals mit der Gewichtungsfensterfunktion beinhalten. Bei einigen Implementierungen können die gewichteten gefensterten HF-Anregungsimpulse eine Impulsbreite aufweisen, die durch die Gewichtungsfensterfunktion definiert wird. So kann beispielsweise die Impulsbreite mit Hilfe der Rabi-Analyse und FID-Tau-Durchläufen vor dem Sammelverfahren ausgewählt werden, wie beispielsweise in der US-Patentanmeldung Nr. 15/003,590 „APPARATUS AND METHOD FOR HIGH SENSITIVITY MAGNETOMETRY MEASUREMENT AND SIGNAL PROCESSING IN A MAGNETIC DETECTOR SYSTEM“ vom 21. Januar 2016 beschrieben, deren Inhalt hiermit vollständig mittels Verweis aufgenommen wird.
Bei einigen Implementierungen kann das Verfahren 1300 das Erzeugen eines zweiten gewichteten, gefensterten HF-Anregungsimpulses beinhalten. Die Steuerung kann bewirken, dass die Gewichtungsfensterfunktion auf ein zweites HF-Anregungssignal angewendet wird, das von der HF-Anregungsquelle erzeugt wird, um einen entsprechenden zweiten gewichteten, gefensterten HF-Anregungsimpuls zu erzeugen. Der zweite gewichtete gefensterte HF-Anregungsimpuls kann erzeugt und in Richtung des magneto-optischen Defektzentrumselements für einen Zeitraum τ ausgesendet werden, nachdem der erste gewichtete gefensterte HF-Anregungsimpuls erzeugt (oder ausgesendet) wurde. Bei einigen Implementierungen lässt sich der Zeitraum τ anhand der nicht-rechteckigen Gewichtungsfunktion bestimmen. So kann beispielsweise der Zeitraum τ durch Rabi-Analyse und FID-Tau-Durchläufe vor dem Sammelverfahren optimiert werden, wie beispielsweise in der U.S. Patentanmeldung Nr. 15/003,590 „APPARATUS AND METHOD FOR HIGH SENSITIVITY MAGNETOMETRY MEASUREMENT AND SIGNAL PROCESSING IN A MAGNETIC DETECTOR SYSTEM“ vom 21. Januar 2016 beschrieben, deren Inhalt hiermit vollständig mittels Verweis aufgenommen wird. Bei einigen Implementierungen können die Impulsparameter, wie beispielsweise die Impulsbreite π und der Zeitraum τ, auch mit anderen Optimierungsschemata optimiert werden. Bei einigen Implementierungen kann die Steuerung 680 bewirken (oder steuern), dass die HF-Anregungsquelle 630 eine Sequenz von gewichteten, gefensterten HF-Anregungsimpulsen erzeugt, so dass jedes Paar von aufeinanderfolgenden, gewichteten, gefensterten HF-Anregungsimpulsen durch eine entsprechende Zeitspanne getrennt werden kann.
Die gewichteten, gefensterten HF-Anregungssignale können (z. B. von der HF-Anregungsquelle 630) zum magneto-optischen Defektzentrumselement (z. B. NV Diamantmaterial 620) ausgesendet werden. Die Steuerung 680 kann die Emissionsrichtung der gewichteten, gefensterten HF-Anregungssignale steuern.
Das Verfahren 1300 kann ferner einen optischen Detektor (wie den optischen Detektor 640) beinhalten, der ein oder mehrere optische Signale in Richtung des magneto-optischen Defektzentrumselements empfängt, das auf das Anregen des magneto-optischen Defektzentrumselements mit dem/den optischen Anregungsimpuls(en) und den einen oder mehreren gewichteten, gefensterten HF-Anregungsimpulsen (Block 1308) reagiert. Die Steuerung 680 kann bewirken, dass der eine oder die mehreren gewichteten, gefensterten HF-Anregungsimpulse und der/die optische(n) Anregungsimpuls(e) gemäß einer vordefinierten Sequenz oder Ordnung zum magneto-optischen Defektzentrumselement ausgesendet werden. Das Anlegen des optischen Anregungsimpulses kann beinhalten, dass die optische Anregungsquelle das magneto-optische Defektzentrumselement mit optischem Licht auf der Basis des optischen Anregungsimpulses bestrahlt.
Das Verfahren 1300 kann die Steuerung 680 beinhalten, die ein Lichterkennungssignal von dem optischen Detektor empfängt, der auf den optischen Detektor reagiert, der das eine oder die mehreren optischen Signale in Richtung des magneto-optischen Defektmittelelements (Block 1310) empfängt. Das Verfahren 1300 kann ferner die Steuerung 680 beinhalten, die eine Magnetometriekurve in Abhängigkeit von der HF-Anregungsfrequenz basierend, zumindest teilweise, auf dem Lichterkennungssignal (Block 1312) erzeugt.
Eine Magnetometrie-(Verstimmungs-)Kurve quantifiziert die erwartete Rotlichtintensität, die vom Diamanten in Abhängigkeit von der Verstimmung der HF-Frequenz im Verhältnis zur NV-Resonanzfrequenz abgegeben wird. Durch Messen der Menge an rotem Licht, die der Diamant zu jedem Zeitpunkt erzeugt, kann man auf den HF-Verstimmungswert und damit auf den HF-Resonanzwert schließen. Da die Resonanzfrequenzen eine Funktion des Magnetfeldes sind, kann aus diesen Messungen auf den Magnetfeldwert geschlossen werden. Die Steuerung 680 kann die Magnetometriekurve schätzen, indem sie die Projektion eines bekannten externen Magnetfeldes auf eine Diamant-Achse durchsucht und das linearisierte Verhältnis nutzt, das die Änderung der Verstimmung gleich der Magnetfeldprojektion ist, multipliziert mit dem gyromagnetischen Verhältnis der Diamant-Stickstoff-Fehlstellen (DNV). Da es in der Praxis schwierig sein kann, ein externes Magnetfeld genau auf eine bestimmte NV-Achse auszurichten, kann die Magnetometriekurve alternativ so berechnet werden, dass ein festes externes Magnetfeld aufrechterhalten wird und die in den Diamanten eingespeiste HF-Frequenz durchlaufen wird und die entsprechenden, vom Diamanten abgestrahlten Rotlicht-Niveaus aufgezeichnet werden.
Das Verfahren 1300 kann ferner das Erzeugen einer Magnetfeld-Darstellung beinhalten, die zumindest teilweise auf der Magnetometriekurve (Block 1314) basiert. Die Darstellung des Magnetfeldes kann eine numerische Darstellung, eine Datenstruktur, eine grafische Darstellung oder eine andere Darstellung von Daten für das Magnetfeld sein. Die Steuerung 680 kann die Darstellung des Magnetfeldes beispielsweise nach den in dem US-Patent Nr. 9,5441,610 B2 beschriebenen Techniken erzeugen, deren Inhalt hiermit vollständig mittels Verweis aufgenommen wird.
14 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein System 1400 zur Umsetzung einiger Aspekte wie der Steuerung darstellt. Das System 1400 enthält ein Verarbeitungssystem 1402, das einen oder mehrere Prozessoren oder ein oder mehrere Verarbeitungssysteme enthalten kann. Ein Prozessor kann ein oder mehrere Prozessoren sein. Das Verarbeitungssystem 1402 kann einen Universalprozessor oder einen spezifischen Prozessor zur Ausführung von Befehlen beinhalten und ferner ein maschinenlesbares Medium 1419 beinhalten, wie beispielsweise einen flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher, zur Speicherung von Daten und/oder Befehlen für Softwareprogramme. Die Anweisungen, die in einem maschinenlesbaren Medium 1410 und/oder 1419 eingespeichert werden können, können vom Verarbeitungssystem 1402 ausgeführt werden, um den Zugriff auf die verschiedenen Netzwerke zu steuern und zu verwalten sowie um andere Kommunikations- und Verarbeitungsfunktionen bereitzustellen. Die Befehle können auch Befehle beinhalten, die vom Verarbeitungssystem 1402 für verschiedene Benutzerschnittstellenvorrichtungen ausgeführt werden, wie beispielsweise eine Anzeige 1412 und eine Tastatur 1414. Das Verarbeitungssystem 1402 kann einen Eingangsport 1422 und einen Ausgangsport 1424 enthalten. Sowohl der Eingangsport 1422 als auch der Ausgangsport 1424 können einen oder mehrere Ports enthalten. Der Eingangsport 1422 und der Ausgangsport 1424 können der gleiche Port sein (z. B. ein bidirektionaler Port) oder verschiedene Ports sein.
Das Verarbeitungssystem 1402 kann mit Software, Hardware oder einer Kombination aus beidem realisiert werden. So kann beispielsweise das Verarbeitungssystem 1402 mit einem oder mehreren Prozessoren realisiert werden. Ein Prozessor kann ein universeller Mikroprozessor, ein Mikrocontroller, ein digitaler Signalprozessor (DSP), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein feldprogrammierbares Gate Array (FPGA), eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD), eine Steuerung, eine Zustandsmaschine, eine Torlogik, diskrete Hardwarekomponenten oder jede andere geeignete Vorrichtung sein, die Berechnungen oder andere Informationsveränderungen durchführen kann.
Ein maschinenlesbares Medium kann ein oder mehrere maschinenlesbare Medien sein, einschließlich nicht temporärer oder greifbarer maschinenlesbarer Medien. Unter Software versteht man im weitesten Sinne Befehle, Daten oder eine Kombination davon, unabhängig davon, ob sie als Software, Firmware, Middleware, Mikrocode, Hardwarebeschreibungssprache oder anderweitig bezeichnet wird. Befehle können Code beinhalten (z. B. im Quellcode-Format, Binärcode-Format, ausführbaren Code-Format oder einem anderen geeigneten Code-Format).
Maschinenlesbare Medien (z. B. 1419) können Speicher beinhalten, die in ein Verarbeitungssystem integriert sind, wie es bei einem ASIC der Fall sein könnte. Maschinenlesbare Datenträger (z. B. 1410) können auch Speicher außerhalb eines Verarbeitungssystems beinhalten, wie z. B. ein Random Access Memory (RAM), ein Flash-Speicher, ein Read Only Memory (ROM), ein Programmable Read-Only Memory (PROM), ein Erasable PROM (EPROM), Register, eine Festplatte, eine Wechselplatte, eine CD-ROM, eine DVD oder jedes andere geeignete Speichergerät. Fachkundige werden wissen, wie man die beschriebene Funktionalität für das Verarbeitungssystem 1402 am besten umsetzt. Gemäß einem Aspekt der Offenbarung kann ein maschinenlesbares Medium ein computerlesbares Medium sein, das mit Befehlen kodiert oder gespeichert ist, sowie ein Computerelement, das strukturelle und funktionale Zusammenhänge zwischen den Anweisungen und dem Rest des Systems definiert, die eine Realisierung der Funktionalität der Befehle ermöglichen. Anweisungen können beispielsweise durch das Verarbeitungssystem 1402 oder einen oder mehrere Prozessoren ausführbar sein. Anweisungen können beispielsweise ein Computerprogramm mit Codes zum Ausführen von Methoden für einige der Ausführungsformen sein.
Eine Netzwerkschnittstelle 1416 kann jede Art von Schnittstelle zu einem Netzwerk (z. B. eine Internet-Netzwerkschnittstelle) sein und kann sich zwischen einer der in 14 dargestellten Komponenten befinden und über den Bus 1404 mit dem Prozessor verbunden sein.
Eine Geräteschnittstelle 1418 kann jede Art von Schnittstelle zu einem Gerät sein und kann sich zwischen einer der in 14 dargestellten Komponenten befinden. Eine Geräteschnittstelle 1418 kann beispielsweise eine Schnittstelle zu einem externen Gerät (z. B. einem USB-Gerät) sein, das an einen Anschluss (z. B. einen USB-Anschluss) des Systems 1400 angeschlossen ist.
Eine oder mehrere der oben beschriebenen Funktionen und Anwendungen können als Softwareprozesse ausgeführt werden, die als eine Reihe von Befehlen spezifiziert sind, die auf einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sind (auch bezeichnet als computerlesbare Medien, maschinenlesbare Medien oder maschinenlesbare Speichermedien). Wenn diese Befehle von einer oder mehreren Verarbeitungseinheiten (z. B. einem oder mehreren Prozessoren, Prozessorkernen oder anderen Verarbeitungseinheiten) ausgeführt werden, veranlassen sie die Verarbeitungseinheit(en), die in den Befehlen angegebenen Aktionen auszuführen. Bei einer oder mehreren Implementierungen beinhalten die computerlesbaren Medien keine Trägerwellen und elektronischen Signale, die drahtlos oder über drahtgebundene Verbindungen oder andere kurzlebige Signale übertragen werden. Beispielsweise können die computerlesbaren Medien vollständig auf materielle physische Objekte beschränkt sein, welche Informationen in einer Form speichern, die von einem Computer gelesen werden kann. Bei einer oder mehreren Implementierungen können die computerlesbaren Medien nichtflüchtige computerlesbare Medien, computerlesbare Speichermedien oder nichtflüchtige computerlesbare Speichermedien sein.
Bei einer oder mehreren Implementierungen kann ein Computerprogrammprodukt (auch bekannt als Programm, Software, Softwareanwendung, Skript oder Code) in jeder Form von Programmiersprache geschrieben werden, einschließlich kompilierter oder interpretierter Sprachen, deklarativer oder prozeduraler Sprachen, und es kann in jeder Form verwendet werden, auch als eigenständiges Programm oder als Modul, Komponente, Unterprogramm, Objekt oder andere Einheit, die für die Verwendung in einer Computerumgebung geeignet ist. Ein Computerprogramm kann, muss aber nicht einer Datei in einem Dateisystem entsprechen. Ein Programm kann in einem Abschnitt einer Datei gespeichert werden, der andere Programme oder Daten enthält (z. B. ein oder mehrere Skripte, die in einem Dokument in einer Auszeichnungssprache gespeichert sind), in einer einzigen Datei, die dem betreffenden Programm zugeordnet ist, oder in mehreren koordinierten Dateien (z. B. Dateien, die ein oder mehrere Module, Unterprogramme oder Code-Teile speichern). Ein Computerprogramm kann zur Ausführung auf einem oder mehreren Computern bereitgestellt werden, die sich an einem Standort befinden oder über mehrere Standorte verteilt und durch ein Kommunikationsnetzwerk miteinander verbunden sind.
Während sich die obigen Ausführungen in erster Linie auf Mikroprozessor- oder Multicore-Prozessoren beziehen, welche Software ausführen, werden eine oder mehrere Implementierungen von einer oder mehreren integrierten Schaltungen durchgeführt, wie beispielsweise anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) oder Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). Bei einer oder mehreren Implementierungen führen solche integrierten Schaltungen Befehle aus, die auf der Platine selbst gespeichert sind.
Die Beschreibung ist so gestaltet, dass jeder Fachmann die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsformen durchführen kann. Obwohl einige Ausführungsformen speziell mit Bezug auf die verschiedenen Figuren und Konfigurationen beschrieben wurden, ist zu beachten, dass diese nur zur Veranschaulichung dienen und nicht als Einschränkung des Anwendungsbereichs der betreffenden Technologie angesehen werden sollten.
Die Implementierung kann auf viele andere Arten erfolgen. Verschiedene hierin beschriebene Funktionen und Elemente können anders aufgeteilt werden als die hier gezeigten, ohne vom Anwendungsbereich der jeweiligen Technologie abzuweichen. Für den Fachmann sind verschiedene Modifikationen dieser Ausführungsformen ohne weiteres ersichtlich, und die hierin definierten allgemeinen Prinzipien können auf andere Ausführungsformen angewendet werden. Somit können viele Änderungen und Modifikationen von einem durchschnittlichen Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Anwendungsbereich der jeweiligen Technologie abzuweichen.
Ein Verweis auf ein Element in der Einzahl soll nicht „eins und nur eins“ bedeuten, es sei denn, es wird ausdrücklich erwähnt, sondern „eins oder mehrere“. Der Begriff „etwas“ bezieht sich auf einen oder mehrere. Unterstrichene und/oder kursiv gedruckte Überschriften und Unterüberschriften werden nur zur Vereinfachung verwendet, schränken die betreffende Technologie nicht ein und werden nicht im Zusammenhang mit der Auslegung der Beschreibung der betreffenden Technologie erwähnt. Alle strukturellen und funktionalen Entsprechungen zu den Elementen der verschiedenen Ausführungsformen, die in dieser Offenbarung beschrieben sind und die bekannt sind oder später bekannt werden, werden hierin ausdrücklich durch Verweis aufgenommen und sind dazu bestimmt, von der betreffenden Technologie abgedeckt zu werden. Darüber hinaus ist nichts, was hierin offenbart ist, für die Öffentlichkeit bestimmt, unabhängig davon, ob eine solche Offenbarung in der obigen Beschreibung ausdrücklich erwähnt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 15003590 [0041, 0061, 0062]
US 62531340 [0043]
US 15380419 [0044]
US 95441610 B2 [0067]

Claims

System zur magnetischen Erfassung eines externen Magnetfeldes, umfassend: ein magneto-optisches Defektzentrumselement, das mehrere magneto-optische Defektzentren enthält; eine Hochfrequenz (HF)-Anregungsquelle, die so konfiguriert ist, dass sie mindestens ein HF-Anregungssignal erzeugt, um eine HF-Anregung des magneto-optischen Defektzentrumselements zu bewirken; eine optische Anregungsquelle, die konfiguriert ist, um einen optischen Anregungsimpuls zu erzeugen, der an das magneto-optische Defektzentrumselement angelegt wird; ein optischer Detektor, der so konfiguriert ist, dass er ein optisches Signal empfängt, das auf dem Licht basiert, das von dem magneto-optischen Defektzentrumselement ausgestrahlt wird, welches auf den optischen Anregungsimpuls reagiert; und eine Steuerung, die zu Folgendem konfiguriert ist: Steuern der HF-Anregungsquelle, um das mindestens eine HF-Anregungssignal zu erzeugen; Veranlassen, dass eine Gewichtungsfensterfunktion auf das mindestens eine von der HF-Anregungsquelle erzeugte HF-Anregungssignal angewendet wird, um mindestens ein entsprechendes gewichtetes, gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen, wobei das mindestens eine gewichtete, gefensterte HF-Anregungssignal auf das magneto-optische Defektzentrumselement angewendet wird; Empfangen eines Lichterkennungssignals vom optischen Detektor, das auf das vom optischen Detektor empfangene optische Signal reagiert, basierend auf dem vom magneto-optischen Defektzentrumselement emittierten Licht; Erzeugen einer Magnetometriekurve als Funktion der HF-Anregungsfrequenz unter Verwendung zumindest eines Teils des Lichterkennungssignals; Erzeugen einer Magnetfelddarstellung, zumindest teilweise auf der Magnetometriekurve basierend.
System nach Anspruch 1, wobei das Gewichtungsfenster Folgendes beinhaltet: eine Hann-Fenster-Funktion; eine Hamming-Fenster-Funktion; eine Hanning-Poisson-Fenster-Funktion; eine Riemann-Fenster-Funktion; oder eine Tschebyscheff-Fenster-Funktion.
System nach Anspruch 1, wobei die HF-Anregungsquelle für folgenden Zweck konfiguriert ist: Veranlassen, dass die Gewichtungsfensterfunktion auf ein erstes HF-Anregungssignal angewendet wird, das von der HF-Anregungsquelle erzeugt wird, um ein entsprechendes erstes gewichtetes, gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen, wobei das erste gewichtete, gefensterte HF-Anregungssignal auf das magneto-optische Defektzentrumselement angewendet wird; Veranlassen, dass die Gewichtungsfensterfunktion auf ein zweites HF-Anregungssignal angewendet wird, das von der HF-Anregungsquelle erzeugt wird, um ein entsprechendes zweites gewichtetes, gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen, wobei das zweite gewichtete, gefensterte HF-Anregungssignal auf das magneto-optische Defektmittelelement für einen Zeitraum τ nach Anlegen des ersten gewichteten, gefensterten HF-Anregungssignals angewendet wird.
System nach Anspruch 3, wobei der Zeitraum τ anhand der Gewichtungsfensterfunktion definiert wird.
System nach Anspruch 3, wobei sich eine erste Phase des ersten HF-Anregungssignals von einer zweiten Phase des zweiten HF-Anregungssignals unterscheidet.
System nach Anspruch 1, wobei die Gewichtungsfensterfunktion eine Nebenkeulen-Abfallrate aufweist, die höher als ein vordefinierter Schwellenwert ist.
System nach Anspruch 1, wobei ein Frequenzspektrum der Gewichtungsfensterfunktion eine Null bei einer vorgegebenen Frequenz aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei ein Frequenzspektrum der Gewichtungsfensterfunktion eine Nebenkeule bei einer vorbestimmten Frequenz aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die Gewichtungsfensterfunktion eine nicht-rechteckige Gewichtungsfensterfunktion ist und mindestens eine Breite des mindestens einen HF-Anregungssignals anhand der nicht-rechteckigen Gewichtungsfensterfunktion bestimmt wird.
System nach Anspruch 1, wobei das magneto-optische Defektzentrumselement ein Diamantmaterial mit Stickstoff-Fehlstellen (NV) ist, das mehrere NV-Zentren umfasst.
Verfahren zur magnetischen Erkennung unter Verwendung eines magneto-optischen Defektzentrumselements, das mehrere Defektzentren umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Erzeugen mindestens eines HF-Anregungssignals durch eine Hochfrequenz (HF)-Anregungsquelle, das zur HF-Anregung des magneto-optischen Defektzentrumselements verwendet wird; Erzeugen eines optischen Anregungsimpulses durch eine optische Anregungsquelle, der an das magneto-optische Defektzentrumselement angelegt wird; Anwenden einer Gewichtungsfensterfunktion auf das mindestens eine von der HF-Anregungsquelle erzeugte HF-Anregungssignal, um mindestens ein entsprechendes gewichtetes, gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen, wobei das mindestens eine gewichtete, gefensterte HF-Anregungssignal auf das magneto-optische Defektzentrumselement angelegt wird; Empfangen eines optischen Signals durch einen optischen Detektor, basierend auf dem Licht, das von dem magneto-optischen Defektmittelelement in Reaktion auf den optischen Anregungsimpuls emittiert wird; Empfangen eines Lichterkennungssignals vom optischen Detektor durch eine Steuerung in Reaktion auf das vom optischen Detektor empfangene optische Signal, auf der Grundlage des von dem magneto-optischen Defektzentrumselement emittierten Lichts; Erzeugen einer Magnetometriekurve als Funktion der HF-Anregungsfrequenz, unter zumindest teilweiser Verwendung des Lichterkennungssignals; und Erzeugen einer Magnetfelddarstellung, zumindest teilweise auf der Magnetometriekurve basierend.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Gewichtungsfenster Folgendes beinhaltet: eine Hann-Fenster-Funktion; eine Hamming-Fenster-Funktion; eine Hanning-Poisson-Fenster-Funktion; eine Riemann-Fenster-Funktion; oder eine Tschebyscheff-Fenster-Funktion.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Anwenden der Gewichtungsfensterfunktion auf das mindestens eine HF-Anregungssignal Folgendes umfasst: Anwenden der Gewichtungsfensterfunktion eines ersten HF-Anregungssignals, das von der HF-Anregungsquelle erzeugt wird, um ein entsprechendes erstes gewichtetes, gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen, wobei das erste gewichtete, gefensterte HF-Anregungssignal auf das magneto-optische Defektzentrumselement angewendet wird; Anwenden der Gewichtungsfensterfunktion auf ein zweites HF-Anregungssignal, das von der HF-Anregungsquelle erzeugt wird, um ein entsprechendes zweites gewichtetes gefenstertes HF-Anregungssignal zu erzeugen, wobei das zweite gewichtete gefensterte HF-Anregungssignal auf das magneto-optische Defektzentrumselement für einen Zeitraum τ nach Anwenden des ersten gewichteten gefensterten HF-Anregungssignals angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Zeitraum τ anhand der Gewichtungsfensterfunktion definiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei sich eine erste Phase des ersten HF-Anregungssignals von einer zweiten Phase des zweiten HF-Anregungssignals unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Gewichtungsfensterfunktion eine Nebenkeulen-Abfallrate aufweist, die höher als ein vordefinierter Schwellenwert ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Frequenzspektrum der Gewichtungsfensterfunktion eine Null bei einer vorgegebenen Frequenz aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei ein Frequenzspektrum der Gewichtungsfensterfunktion eine Nebenkeule bei einer vorbestimmten Frequenz aufweist.
System nach Anspruch 11, wobei die Gewichtungsfensterfunktion eine nicht-rechteckige Gewichtungsfensterfunktion ist und mindestens eine Breite des mindestens einen HF-Anregungssignals anhand der nicht-rechteckigen Gewichtungsfensterfunktion bestimmt wird.
System nach Anspruch 11, wobei das magneto-optische Defektzentrumselement ein Diamantmaterial mit Stickstoff-Fehlstellen (NV) ist, das mehrere NV-Zentren umfasst.