DE102019203930A1 - Sensor device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung (1) mit einem Kristallkörper (8), insbesondere einem Diamanten, mit einer Anzahl von Farbzentren, insbesondere von Stickstoff-Fehlstellen, einer eine optische Achse (A) definierenden Laser-Kavität (5) zum Erzeugen von Anregungslicht (20), einer Hochfrequenzeinrichtung (7) zum Bestrahlen des Kristallkörpers mit Mikrowellen, und einem oder mehreren Photodetektoren (3), die eingerichtet sind zum Detektieren von Fluoreszenzlicht (30), welches aufgrund der Bestrahlung des Kristallkörpers (8) durch das Anregungslicht (20) und die Mikrowellen erzeugt wird, wobei die Laser-Kavität (5) wenigstens zwei Reflektoren (3) und ein dazwischenliegendes Laser-Gain-Medium (9) aufweist, wobei der Kristallkörper (8) innerhalb der Laser-Kavität (5) zwischen den wenigstens zwei Reflektoren (3) angeordnet ist.The invention relates to a sensor device (1) with a crystal body (8), in particular a diamond, with a number of color centers, in particular nitrogen defects, a laser cavity (5) defining an optical axis (A) for generating excitation light ( 20), a high-frequency device (7) for irradiating the crystal body with microwaves, and one or more photodetectors (3) which are set up to detect fluorescent light (30) which occurs due to the irradiation of the crystal body (8) by the excitation light (20) and the microwaves are generated, the laser cavity (5) having at least two reflectors (3) and an intermediate laser gain medium (9), wherein the crystal body (8) within the laser cavity (5) between the at least two reflectors (3) is arranged.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung.The present invention relates to a sensor device.
Stand der TechnikState of the art
Farbzentren, wie etwa die negativ geladenen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in einem Kristallkörper, insbesondere einem Diamantgitter, auch als NV-Zentren (NV steht hierbei für „Nitrogen Vacancy“) bezeichnet, können beispielsweise auf dem Gebiet der Sensorik angewandt werden. Durch Anregung derartiger NV-Zentren mit Licht und Mikrowellenstrahlung kann eine magnetfeldabhängige Fluoreszenz beobachtet werden. Diese Fluoreszenz wird mittels einer Sensoreinrichtung erfasst und ausgewertet. Als weiteres Beispiel derartiger Farbzentren sei auf Defektzentren in SiC, aber auch auf SiV in Diamant, verwiesen.Color centers, such as the negatively charged nitrogen vacancy centers in a crystal body, in particular a diamond lattice, also referred to as NV centers (NV stands for “Nitrogen Vacancy”), can be used, for example, in the field of sensor technology. By exciting such NV centers with light and microwave radiation, a magnetic field-dependent fluorescence can be observed. This fluorescence is recorded and evaluated by means of a sensor device. As a further example of such color centers, reference is made to defect centers in SiC, but also to SiV in diamond.
Das negativ geladene NV-Zentrum in Diamant kann insbesondere zur hochempfindlichen Messung von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperaturen genutzt werden. Derartige Quantentechnologien bieten gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den NV Zentren bestehen konkret folgende Vorteile: (i) ultrahohe Empfindlichkeiten, (ii) Vektormagnetometrie (Richtungsbestimmung des Magnetfelds), (iii) hoher dynamischer Messbereich (> 1 Tesla), (iv) Linearität (Zeemaneffekt), (v) keine Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht. Um einen auf NV Zentren basierten Sensor auszulesen, wird die magnetische Resonanz des Spintriplets des Grundzustands optisch detektiert (ODMR, optically detected magnetic resonance). Gegenüber dem anregenden Licht rot-verschobenes Fluoreszenzlicht zeigt dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz. Die Lage ist auf Grund des Zeemaneffekts linear abhängig vom magnetischen Feld. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.The negatively charged NV center in diamond can be used in particular for the highly sensitive measurement of magnetic fields, electrical fields, mechanical stresses and temperatures. Such quantum technologies offer decisive advantages over classic sensor principles, which underline the disruptive potential of quantum technology. The NV centers have the following advantages: (i) ultra-high sensitivities, (ii) vector magnetometry (determination of the direction of the magnetic field), (iii) high dynamic measuring range (> 1 Tesla), (iv) linearity (Zeeman effect), (v) no degradation , since the measurement is based on quantum mechanical states. In order to read a sensor based on NV centers, the magnetic resonance of the spin triplet of the ground state is detected optically (ODMR, optically detected magnetic resonance). Fluorescent light which is red-shifted compared to the stimulating light shows a characteristic dip in the energetic position of the electron spin resonance. Due to the Zeeman effect, the position is linearly dependent on the magnetic field. This enables a highly sensitive magnetic field sensor to be constructed.
NV-Zentren in Diamant besitzen eine derart hohe Magnetfeldempfindlichkeit, dass dies dazu genutzt werden kann um vielfältige bestehende Produkte zu verbessern (z.B. Suchgeräte für elektrische Leitungen in Wänden oder Strommessung von Fahrzeugbatterien) oder auch um neue Produkte zu realisieren, wie zum Beispiel eine kontaktlose Mensch-Maschine-Schnittstelle, die Ströme bzw. Steuersignale aus dem Gehirn nachweist und auswertet.NV centers in Diamant are so sensitive to magnetic fields that they can be used to improve a wide range of existing products (e.g. search devices for electrical lines in walls or current measurement of vehicle batteries) or to implement new products, such as a contactless person -Machine interface that detects and evaluates currents or control signals from the brain.
Als besonders vorteilhaft hat sich die Messung von Magnetfeldern über eine kombinierte Anregung derartiger Farbzentren mit Licht und Mikrowellen erwiesen. Insbesondere die hier eingesetzte Anregung mit Licht führt allerdings zu relativ komplexen und groß bauenden Sensoreinrichtungen.The measurement of magnetic fields via a combined excitation of such color centers with light and microwaves has proven to be particularly advantageous. In particular, the excitation with light used here leads to relatively complex and large-sized sensor devices.
Die
Laser sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein Laser besteht prinzipiell aus drei Bestandteilen:
- Ein erster Bestandteil ist ein aktives Medium, auch als Laser-Gain-Medium oder Lasermedium bezeichnet. Im aktiven Medium entstehen durch einen durch Photonen verursachten optischen Übergang angeregter Atome oder Moleküle in einen energetisch günstigeren Zustand weitere Photonen. Die auslösenden und die erzeugten Photonen sind hierbei kohärent. Dieser Effekt wird als stimulierte Emission bezeichnet. Wesentliche Voraussetzung für ein wirksames Lasermedium ist, dass sich eine Besetzungsinversion herstellen lässt. Das bedeutet, dass der obere Zustand des optischen Übergangs mit einer höheren Wahrscheinlichkeit besetzt ist, als der untere. Ein solches Medium muss mindestens über drei Niveaus verfügen und kann gasförmig (z. B. HeNe oder CO2), flüssig (z. B. Farbstofflösungen) oder fest sein. Als Beispiele fester Laser-Gain-Medien seien neodymdotiertes Yttriumaluminiumgranat (Nd:YAG), Rubinkristall und Halbleitermaterial genannt.
- A first component is an active medium, also referred to as a laser gain medium or laser medium. In the active medium, an optical transition of excited atoms or molecules into an energetically more favorable state is generated by photons. The triggering and the generated photons are coherent. This effect is known as stimulated emission. An essential prerequisite for an effective laser medium is that a population inversion can be produced. This means that the upper state of the optical transition is more likely to be occupied than the lower. Such a medium must have at least three levels and can be gaseous (e.g. HeNe or CO 2 ), liquid (e.g. dye solutions) or solid. Examples of solid laser gain media include neodymium-doped yttrium aluminum garnet (Nd: YAG), ruby crystal and semiconductor material.
Ein zweiter Bestandteil ist eine Pumpe. Um eine wie oben beschriebene Besetzungsinversion herbeizuführen, muss Energie in das Lasermedium eingebracht bzw. hineingepumpt (engl. pumping) werden. Damit dieser Pumpprozess nicht mit der stimulierten Emission konkurriert, muss dieser auf einem anderen quantenmechanischen Übergang basieren. Das Pumpen kann insbesondere optisch (Einstrahlung von Licht) oder elektrisch (durch Gasentladung oder in Form von elektrischem Strom bei Laserdioden) die Atome oder Moleküle des Laser-Gain-Mediums in angeregte Zustände bringen.A second component is a pump. In order to bring about a population inversion as described above, energy must be introduced or pumped into the laser medium. So that this pumping process does not compete with the stimulated emission, it must be based on a different quantum mechanical transition. Pumping can bring the atoms or molecules of the laser gain medium into excited states in particular optically (irradiation of light) or electrically (by gas discharge or in the form of electrical current in the case of laser diodes).
Ein dritter Bestandteil ist ein Resonator. Ein Resonator besteht im einfachsten Fall aus zwei parallelen Spiegeln bzw. Reflektoren, zwischen welchen sich das aktive Lasermedium befindet. Photonen, deren Propagation senkrecht zu den Spiegeln verläuft, verbleiben im Resonator und können daher die Emission weiterer Photonen im aktiven Medium auslösen (stimulieren). Ein auf diese Weise entstehendes Photon entspricht in allen Quantenzahlen dem auslösenden Photon. Die Photonen sind also, wie oben erwähnt, kohärent. Photonen, die den Resonator verlassen, stimulieren dementsprechend keine Emissionen. Diese Selektion des Resonators führt zur schmalbandigen Emission bzw. der hohen Kohärenzlänge von Laserstrahlung.A third component is a resonator. In the simplest case, a resonator consists of two parallel mirrors or reflectors, between which the active laser medium is located. Photons whose propagation is perpendicular to the mirrors remain in the resonator and can therefore trigger (stimulate) the emission of further photons in the active medium. A photon produced in this way corresponds in all quantum numbers to the triggering photon. So, as mentioned above, the photons are coherent. Photons that the Leave the resonator, accordingly do not stimulate any emissions. This selection of the resonator leads to narrow-band emission or the high coherence length of laser radiation.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Miniaturisierung von Magnetfeld-Sensoreinrichtungen und eine Verbesserung der Energieeffizienz.One object of the present invention is to miniaturize magnetic field sensor devices and improve energy efficiency.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Sensoreinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a sensor device with the features of the independent patent claim is proposed. Advantageous configurations are the subject of the subclaims and the description below.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Sensoreinrichtung mit einer eine optische Achse definierenden Laser-Anordnung zum Erzeugen von Anregungslicht vorgeschlagen, wobei die Laser-Anordnung wenigstens zwei Reflektoren, ein dazwischenliegendes Laser-Gain-Medium, sowie eine Pumpe zum Herbeiführen einer Besetzungsinversion aufweist. Die Sensoreinrichtung weist ferner einen Kristallkörper, insbesondere einen Diamanten, mit einer Anzahl von Farbzentren, insbesondere von Stickstoff-Fehlstellen auf, wobei der Kristallkörper innerhalb der Laser-Anordnung zwischen den wenigstens zwei Reflektoren angeordnet ist, sowie einer Hochfrequenzeinrichtung zum Bestrahlen des Kristallkörpers mit Mikrowellen, und einen oder mehrere Photodetektoren, die eingerichtet sind zum Detektieren von Fluoreszenzlicht, welches aufgrund der Bestrahlung des Kristallkörpers durch das Anregungslicht und die Mikrowellen erzeugt wird. Hierbei ist wenigstens ein Photodetektor radial beabstandet zu der optischen Achse der Laser-Anordnung angeordnet.According to the invention, a sensor device is proposed with a laser arrangement defining an optical axis for generating excitation light, the laser arrangement having at least two reflectors, an intermediate laser gain medium and a pump for bringing about a population inversion. The sensor device also has a crystal body, in particular a diamond, with a number of color centers, in particular nitrogen defects, the crystal body being arranged within the laser arrangement between the at least two reflectors, and a high-frequency device for irradiating the crystal body with microwaves, and one or more photodetectors that are configured to detect fluorescent light that is generated due to the irradiation of the crystal body by the excitation light and the microwaves. In this case, at least one photodetector is arranged at a radial distance from the optical axis of the laser arrangement.
Kern der Erfindung ist es, wenigstens einen Photodetektor radial beabstandet zu der optischen Achse der Laser-Anordnung anzuordnen. Dadurch ist eine Auskopplung des in dem Kristallkörper erzeugten Fluoreszenzlichtes durch einen Reflektor der Laser-Anordnung nicht mehr notwendig und bevorzugt auch nicht vorgesehen. Laserlicht auszukoppeln wäre von Nachteil, da dadurch die zur Verfügung stehende Intensität verringert werden würde. Innerhalb der Laser-Anordnung und damit auch innerhalb der Kristallkörpers lässt sich eine hohe optische Intensität erreichen, die für das Wirkprinzip der Farbzentren notwendig ist. The essence of the invention is to arrange at least one photodetector at a radial distance from the optical axis of the laser arrangement. As a result, coupling out of the fluorescent light generated in the crystal body by a reflector of the laser arrangement is no longer necessary and is preferably also not provided. Coupling out laser light would be a disadvantage, since this would reduce the available intensity. A high optical intensity, which is necessary for the working principle of the color centers, can be achieved within the laser arrangement and thus also within the crystal body.
Der Photodetektor oder die Photodetektoren können die optische Achse der Laser-Anordnung vollständig radial (z.B. zylinderförmig) umgeben oder z.B. auch nur auf einer oder zwei oder drei Seiten.The photodetector or photodetectors can surround the optical axis of the laser assembly completely radially (e.g. cylindrical) or e.g. even only on one or two or three sides.
Insbesondere ist zwischen wenigstens einem, insbesondere jedem Photodetektor und der optischen Achse der Laser-Anordnung je ein Farbfilter angeordnet, der das Fluoreszenzlicht transmittiert und das Anregungslicht reflektiert. Damit wird sowohl einer Übersteuerung der Photodetektoren durch Anregungslicht vorgebeugt, als auch das Anregungslicht für weitere Anregungen innerhalb des Kristallkörpers genutzt.In particular, a color filter which transmits the fluorescent light and reflects the excitation light is arranged between at least one, in particular each photodetector and the optical axis of the laser arrangement. This both prevents overdriving of the photodetectors by excitation light and uses the excitation light for further excitations within the crystal body.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform, für die gesondert um Schutz nachgesucht wird, weist bzw. weisen wenigstens einer der Reflektoren, bevorzugt beide Reflektoren, einen Reflexionskoeffizienten von größer als 95%, 96%, 97%, 98% oder 99%, bevorzugter von größer als 99,5%, noch bevorzugter von größer als 100% auf. Auf diese Weise wird weder Anregungslicht noch Fluoreszenzlicht durch einen Reflektor aus der Laser-Anordnung ausgekoppelt. Die Detektion des Fluoreszenzlichtes kann also an anderer Stelle, insbesondere radial versetzt von der optischen Achse der Laser-Anordnung erfolgen. Damit lässt sich ein kleinerer Aufbau und eine effizientere Anordnung realisieren.According to a particularly preferred embodiment, for which protection is sought separately, at least one of the reflectors, preferably both reflectors, has a reflection coefficient of greater than 95%, 96%, 97%, 98% or 99%, more preferably greater than 99.5%, more preferably greater than 100%. In this way, neither excitation light nor fluorescent light is coupled out of the laser arrangement by a reflector. The detection of the fluorescent light can thus take place at another point, in particular radially offset from the optical axis of the laser arrangement. This allows a smaller structure and a more efficient arrangement to be implemented.
Bevorzugt ist an wenigstens einer Position radial versetzt zu der optischen Achse der Laser-Anordnung eine reflektierende Seitenfläche angeordnet, um das Fluoreszenzlicht zu einem der Photodetektoren zu leiten. Eine solche reflektierende Seitenfläche kann die optische Achse insbesondere in jeder Richtung zylinderförmig umgeben, in der kein Photodetektor angeordnet ist. Auf diese Weise kann das Fluoreszenzlicht in effektiver Weise zum Photodetektor geleitet und dort nachgewiesen werden. Damit lässt sich eine besonders effiziente Detektion der Fluoreszenzstrahlung realisieren, was die Energieeffizienz und die Sensitivität des Sensors weiter steigert.A reflective side surface is preferably arranged at at least one position, radially offset from the optical axis of the laser arrangement, in order to guide the fluorescent light to one of the photodetectors. Such a reflective side surface can, in particular, surround the optical axis in a cylindrical shape in any direction in which no photodetector is arranged. In this way, the fluorescent light can be effectively directed to the photodetector and detected there. This enables particularly efficient detection of the fluorescence radiation, which further increases the energy efficiency and the sensitivity of the sensor.
Bevorzugt sind das Laser-Gain-Medium und der Kristallkörper zwei getrennte Medien. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise eine größere Intensität des Anregungslichtes erreichen lässt. Als Laser-Gain-Meium ist ein Neodym-dotierter Yttriumaluminiumganat denkbar, der optisch bei 808 nm gepumpt wird und mit einem frequenzverdoppelnden Lithiumtriboratkristall kombiniert wird oder auch ein Halbleiterlaser, der elektrisch gepumpt wird. Insbesondere ist der Kristallkörper in Richtung der optischen Achse axial benachbart zu dem Laser-Gain-Medium angeordnet.The laser gain medium and the crystal body are preferably two separate media. This is advantageous because in this way a greater intensity of the excitation light can be achieved. A neodymium-doped yttrium aluminum organate, which is optically pumped at 808 nm and combined with a frequency-doubling lithium triborate crystal or a semiconductor laser that is electrically pumped, is conceivable as a laser gain medium. In particular, the crystal body is in the direction of the optical axis arranged axially adjacent to the laser gain medium.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and configurations of the invention emerge from the description and the accompanying drawing.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.The invention is shown schematically in the drawing using an exemplary embodiment and is described below with reference to the drawing.
FigurenlisteFigure list
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1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung1 shows a schematic cross-sectional view of a preferred embodiment of a sensor device according to the invention
Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention
In
Die Sensoreinrichtung
Weiterhin ist ein Kristallkörper
Bevorzugt wird als Laser-Gain-Meium ist ein Neodym-dotierter Yttriumaluminiumgranat verwendet, der optisch bei 808 nm gepumpt wird und mit einem frequenzverdoppelnden Lithiumtriboratkristall kombiniert wird oder auch ein Halbleiterlaser, der elektrisch gepumpt wird. Bei Verwendung des Nedodym-dotierten Yttriumaluminiumgranats ist es denkbar, zusätzlich einen Lithiumboratkristal zwischen dem Laser-Gain-Medium und dem Diamant anzuordnen und einen Spiegel transparent für die Pumpwellenlänge von 808 nm zu gestalten, damit das Pumplicht in den Resonator eingekoppelt werden kann. Durch Rekombination bzw. stimulierende Emission im Laser-Gain-Medium
Zusätzlich ist eine Hochfrequenzeinrichtung
Die Sensoreinrichtung weist in dieser Ausführungsform wenigstens einen Photodetektor
An mehreren Positionen radial versetzt zu der optischen Achse A der Laser-Anordnung ist jeweils eine reflektierende Seitenfläche
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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