DE102020204022A1 - Sensor and method for detecting at least one measured variable - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (1) zur Erfassung von zumindest einer Messgröße, enthaltend zumindest einen optischen Resonator (2), zumindest ein erstes aktives Medium (3), welches im Resonator (2) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, einen optischen Gewinn in einem ersten Wellen-längenbereich zu erzeugen, zumindest eine Pumpquelle (5, 51, 52), welche dazu eingerichtet ist, das erste aktive Medium (3) anzuregen, zumindest einen Detektor (6), welcher dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung zu erfassen, zumindest einen Hochfrequenzsender (7), welcher dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, welche auf das erste aktive Medium (3) einwirkt und welche in Abhängigkeit der zumindest einen Messgröße zumindest einen Übergang zwischen zumindest zwei Zuständen des ersten aktiven Mediums (3) anregt, wobei der Sensor weiterhin zumindest ein zweites aktives Medium (4) enthält, welches im Resonator (2) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, einen optischen Gewinn in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erzeugen, wobei das erste und das zweite aktive Medium (3, 4) im Zusammenwirken mit dem Resonator (2) eine Laserschwelle aufweisen, und zumindest eine Pumpquelle (5, 51, 52), dazu eingerichtet ist, das zweite aktive Medium (3) anzuregen und wobei der erste und der zweite Wellenlängenbereich zumindest teilweise identisch sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Erfassung von zumindest einer Messgröße.The invention relates to a sensor (1) for detecting at least one measured variable, containing at least one optical resonator (2), at least one first active medium (3) which is arranged in the resonator (2) and is set up to generate an optical gain in a first wavelength range, at least one pump source (5, 51, 52) which is set up to excite the first active medium (3), at least one detector (6) which is set up to detect laser radiation, at least a high-frequency transmitter (7) which is set up to generate electromagnetic radiation which acts on the first active medium (3) and which, depending on the at least one measured variable, stimulates at least one transition between at least two states of the first active medium (3), wherein the sensor furthermore contains at least one second active medium (4) which is arranged in the resonator (2) and is set up to provide an optical gain in to generate a second wavelength range, wherein the first and the second active medium (3, 4) in cooperation with the resonator (2) have a laser threshold, and at least one pump source (5, 51, 52) is set up, the second active To excite medium (3) and wherein the first and the second wavelength range are at least partially identical. The invention also relates to a corresponding method for acquiring at least one measured variable.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von zumindest einer Messgröße, enthaltend zumindest einen optischen Resonator, zumindest ein erstes aktives Medium, welches im Resonator angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, einen optischen Gewinn in einem ersten Wellenlängenbereich zu erzeugen, zumindest eine Pumpquelle, welche dazu eingerichtet ist, das erste aktive Medium anzuregen, zumindest einen Detektor, welcher dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung zu erfassen, sowie zumindest einen Radiofrequenzsender, welcher dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, welche auf das erste aktive Medium einwirkt und welche in Abhängigkeit der zumindest einen Messgröße zumindest einen Übergang zwischen zumindest zwei Zuständen des ersten aktiven Mediums anregt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erfassung von zumindest einer Messgröße unter Verwendung eines solchen Sensors. Vorrichtungen und Verfahren dieser Art können beispielsweise zur Messung eines Magnetfeldes verwendet werden.The invention relates to a sensor for detecting at least one measured variable, containing at least one optical resonator, at least one first active medium, which is arranged in the resonator and is set up to generate an optical gain in a first wavelength range, at least one pump source which is set up to excite the first active medium, at least one detector, which is set up to detect laser radiation, and at least one radio frequency transmitter, which is set up to generate electromagnetic radiation which acts on the first active medium and which depends on the at least a measured variable stimulates at least one transition between at least two states of the first active medium. The invention also relates to a method for detecting at least one measured variable using such a sensor. Devices and methods of this type can be used, for example, to measure a magnetic field.

Aus der US 2017/0030982 A1 ist ein Sensor der genannten Art bekannt. Der optische Resonator, das erste aktive Medium und die Pumpquelle bilden einen Laser. Dieser verwendet Diamant als erstes aktives Medium, welcher NV-Zentren enthält. Auf das aktive Medium wirkt neben der Pumpquelle auch die Strahlung aus der Radiofrequenzquelle ein. Die elektromagnetische Strahlung aus der Radiofrequenzquelle hat die Wirkung, dass die Laserschwelle in Abhängigkeit eines externen Magnetfeldes variiert. Durch Bestimmen der Laserschwelle in Abhängigkeit der Frequenz der elektromagnetischen Strahlung und/oder der Laserleistung an einem bestimmten Arbeitspunkt kann somit das einwirkende Magnetfeld gemessen werden.From the US 2017/0030982 A1 a sensor of the type mentioned is known. The optical resonator, the first active medium and the pump source form a laser. This uses diamond as the first active medium that contains NV centers. In addition to the pump source, the radiation from the radio frequency source also acts on the active medium. The electromagnetic radiation from the radio frequency source has the effect that the laser threshold varies depending on an external magnetic field. By determining the laser threshold as a function of the frequency of the electromagnetic radiation and / or the laser power at a specific operating point, the acting magnetic field can thus be measured.

Dieser bekannte Sensor weist den Nachteil einer begrenzten Sensitivität auf. Darüberhinaus ist die Herstellung und Verwendung aufwändig. Ausgehend vom Stand der Technik liegt der Erfindung somit die Aufgabe zugrunde, einen Sensor und ein Verfahren zur Erfassung von zumindest einer Messgröße anzugeben, welche eine verbesserte Sensitivität und/oder eine vereinfachte Herstellung und/oder einen vereinfachten Aufbau aufweisen.This known sensor has the disadvantage of limited sensitivity. In addition, production and use are complex. Proceeding from the prior art, the invention is therefore based on the object of specifying a sensor and a method for detecting at least one measured variable which have an improved sensitivity and / or a simplified production and / or a simplified structure.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention by a device according to claim 1 and a method according to claim 8. Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird ein Sensor bzw. ein Quantensensor zur Erfassung von zumindest einer Messgröße vorgeschlagen. Der Sensor enthält zumindest einen optischen Resonator. Der optische Resonator enthält zumindest zwei Spiegel, welche einen Resonanzraum zumindest teilweise begrenzen. Zumindest einer der Spiegel kann teildurchlässig sein, so dass ein Teil der auftreffenden Photonen reflektiert und ein anderer Teil transmittiert wird und auf diese Weise den Resonanzraum verlassen kann.According to the invention, a sensor or a quantum sensor for detecting at least one measured variable is proposed. The sensor contains at least one optical resonator. The optical resonator contains at least two mirrors which at least partially delimit a resonance space. At least one of the mirrors can be partially transparent, so that part of the incident photons is reflected and another part is transmitted and in this way can leave the resonance space.

In den Resonanzraum ist zumindest ein erstes aktives Medium und zumindest ein zweites aktives Medium eingebracht. Das erste aktive Medium ist dazu eingerichtet, einen optischen Gewinn in einem ersten Wellenlängenbereich zu erzeugen. Das zweite aktive Medium ist dazu eingerichtet, einen optischen Gewinn in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erzeugen. Der erste und der zweite Wellenlängenbereich sind zumindest teilweise identisch. Hierdurch weist der kombinierte optische Gewinn des ersten und des zweiten Mediums in Zusammenwirken mit dem Resonator eine Laserschwelle auf. Dies bedeutet, dass das erste und zweite aktive Medium jeweils eine Mehrzahl von Energieniveaus aufweisen, zwischen welchen sich durch Zufuhr einer Pumpleistung elektronische Übergänge anregen lassen. Zwischen diesen Energieniveaus können strahlende Übergänge erfolgen, welche eine Energie aufweisen, welche zumindest einigen Eigenmoden des optischen Resonators entspricht. Die Laserschwelle bezeichnet dabei die minimal notwendige Pumpleistung, welche den Medien zugeführt werden muss, so dass sich der optische Gewinn durch Energiezufuhr einerseits und der optische Verlust durch Absorption im aktiven Medium, durch parasitäre Verluste, zum Beispiel an Oberflächen und durch Auskopplung der erzeugten Emission andrerseits gerade ausgleichen. Die Laserschwelle ist somit die Intensitätsschwelle der von der Pumpquelle ausgesandten Energie, über welcher der aus den aktiven Medien und dem optischen Resonator gebildete Laser zu arbeiten beginnt.At least one first active medium and at least one second active medium are introduced into the resonance space. The first active medium is set up to generate an optical gain in a first wavelength range. The second active medium is set up to generate an optical gain in a second wavelength range. The first and second wavelength ranges are at least partially identical. As a result, the combined optical gain of the first and the second medium in cooperation with the resonator has a lasing threshold. This means that the first and second active medium each have a plurality of energy levels, between which electronic transitions can be excited by supplying a pump power. Radiant transitions can take place between these energy levels which have an energy which corresponds to at least some eigenmodes of the optical resonator. The laser threshold describes the minimum necessary pump power that must be supplied to the media, so that the optical gain due to the supply of energy on the one hand and the optical loss due to absorption in the active medium, due to parasitic losses, for example on surfaces and due to the coupling out of the generated emission, on the other just equalize. The laser threshold is thus the intensity threshold of the energy emitted by the pump source, above which the laser formed from the active media and the optical resonator begins to work.

Hierzu weist der erfindungsgemäße Sensor weiterhin zumindest eine Pumpquelle auf, welche dazu eingerichtet ist, das erste und/oder das zweite aktive Medium zur Lichtemission anzuregen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Mehrzahl von Pumpquellen vorhanden sein, so dass einem aktiven Medium Pumplicht aus mehreren Pumpquellen zugeführt werden kann. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann für das erste aktive Medium und das zweite aktive Medium jeweils zumindest eine zugeordnete Pumpquelle vorhanden sein. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann ein aktives Medium optisch gepumpt werden. In diesem Fall ist die Pumpquelle dazu eingerichtet, Licht zu erzeugen, welches im jeweiligen aktiven Medium absorbiert wird und dadurch Elektronen auf ein höherliegendes Energieniveau anhebt. Die Pumpquelle kann beispielsweise einen Laser oder eine Leuchtdiode oder eine Superlumineszenzdiode oder eine andere Lichtquelle enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Pumpquelle die Elektronen in zumindest einem aktiven Medium auch in anderer Form anregen, beispielsweise durch elektrisches Pumpen.For this purpose, the sensor according to the invention furthermore has at least one pump source which is set up to stimulate the first and / or the second active medium to emit light. In some embodiments of the invention, a plurality of pump sources can be present, so that pump light from a plurality of pump sources can be supplied to an active medium. In some embodiments of the invention, at least one associated pump source can each be present for the first active medium and the second active medium. In some embodiments of the invention, an active medium can be optically pumped. In this case, the pump source is set up to generate light which is absorbed in the respective active medium and thereby raises electrons to a higher energy level. The pump source can contain, for example, a laser or a light-emitting diode or a superluminescent diode or another light source. In some embodiments of the invention, the pump source can also use the electrons in at least one active medium stimulate another form, for example by electric pumping.

Im Falle von optischem Pumpen kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung die Pumplichtquelle zumindest einen Diodenlaser enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann ein DFB-Diodenlaser (distributed feedback) verwendet werden. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein diodengepumpter Festkörperlaser verwendet werden. In einigen Ausführungsformen können auch fasergekoppelte Laser eingesetzt werden, entweder in Form von fasergekoppelten Diodenlasern oder Faserlasern. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass ein möglichst einfacher, kompakter und kostengünstiger Sensor erhalten werden kann.In the case of optical pumping, in some embodiments of the invention, the pumping light source can contain or consist of at least one diode laser. In some embodiments of the invention, a distributed feedback (DFB) diode laser can be used. In other embodiments of the invention, a diode pumped solid state laser can be used. In some embodiments, fiber-coupled lasers can also be used, either in the form of fiber-coupled diode lasers or fiber lasers. This feature has the effect that a simple, compact and inexpensive sensor can be obtained.

Schließlich enthält der erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensor einen Detektor, welcher dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung aus dem Resonator mit dem ersten und/oder dem zweiten aktiven Medium zu erfassen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann dieser Detektor ein Photomultiplier, eine Photodiode, ein Phototransistor, ein Photowiderstand, ein CCD- oder CMOS-Sensor oder ein anderer, an sich bekannter Strahlungsdetektor sein bzw. einen solchen enthalten.Finally, the sensor proposed according to the invention contains a detector which is set up to detect laser radiation from the resonator with the first and / or the second active medium. In some embodiments of the invention, this detector can be or contain a photomultiplier, a photodiode, a phototransistor, a photoresistor, a CCD or CMOS sensor or another radiation detector known per se.

Schließlich enthält der erfindungsgemäß vorgeschlagene Sensor einen Radiofrequenzsender, welcher dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, welche zumindest auf das erste aktive Medium einwirkt und welche in Abhängigkeit der zumindest einen Messgröße Übergänge zwischen zumindest zwei Zuständen bzw. Energieniveaus des ersten aktiven Mediums (z.B. Elektronen-Spin-Übergänge) anregt, welche Veränderungen der optischen Emission bewirken und durch die äußere zu messende Größe verändert werden. Finally, the sensor proposed according to the invention contains a radio frequency transmitter which is set up to generate electromagnetic radiation which acts at least on the first active medium and which, depending on the at least one measured variable, transitions between at least two states or energy levels of the first active medium (e.g. electrons -Spin transitions), which cause changes in the optical emission and are changed by the external variable to be measured.

Hierzu kann der Radiofrequenzsender elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von etwa 1 GHz bis etwa 120 GHz aussenden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Radiofrequenzsender elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz zwischen etwa 2 GHz und etwa 50 GHz oder zwischen etwa 2,5 GHz und etwa 40 GHz aussenden.For this purpose, the radio frequency transmitter can emit electromagnetic radiation at a frequency of approximately 1 GHz to approximately 120 GHz. In some embodiments of the invention, the radio frequency transmitter can emit electromagnetic radiation with a frequency between about 2 GHz and about 50 GHz or between about 2.5 GHz and about 40 GHz.

Bei Betrieb des Sensors wird der optische Gewinn des ersten aktiven Mediums durch die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung des Radiofrequenzsenders und der zu erfassenden Messgröße beeinflusst. Der optische Gewinn des zweiten aktiven Mediums wirkt wie ein optischer Verstärker, so dass die Emission im ersten aktiven Medium mit höherer Genauigkeit erfasst werden kann. Sobald das erste aktive Medium beginnt, Strahlung auszusenden, gelangt diese in das innerhalb des Resonanzraums des Resonators befindliche zweite aktive Medium und triggert auch in diesem eine stimulierte Emission. Aus der Intensitätsänderung bzw. dem Einsetzen der Laserstrahlung kann daher bei bekannter Frequenz des Radiofrequenzsenders auf die am Ort des ersten aktiven Mediums herrschende zu erfassende Messgröße geschlossen werden. Daher kann diese Messgröße aufgrund des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen Intensität der Laserstrahlung und Messwert mit erhöhter Sensitivität und/oder höherer Genauigkeit erfasst werden.When the sensor is in operation, the optical gain of the first active medium is influenced by the frequency of the electromagnetic radiation from the radio frequency transmitter and the measured variable to be detected. The optical gain of the second active medium acts like an optical amplifier, so that the emission in the first active medium can be detected with greater accuracy. As soon as the first active medium begins to emit radiation, it reaches the second active medium located within the resonance space of the resonator and triggers a stimulated emission in this too. From the change in intensity or the onset of the laser radiation, if the frequency of the radio frequency transmitter is known, it is therefore possible to deduce the measured variable to be detected prevailing at the location of the first active medium. Because of the non-linear relationship between the intensity of the laser radiation and the measured value, this measured variable can therefore be recorded with increased sensitivity and / or higher accuracy.

Alternativ oder zusätzlich kann der durch das zweite aktive Medium erhöhte optische Gewinn im Vergleich zum Stand der Technik dazu genutzt werden, im ersten aktiven Medium eine geringere Dichte von Farbzentren und/oder eine längere Kohärenzzeit vorzusehen. Insbesondere kann mehr Diamantmaterial mit einer geringeren Dichte von Farbzentren verwendet werden, so dass bei gleicher Anzahl von Emittern eine längere Kohärenzzeit erreicht wird. Eventuelle höhere Materialverluste können durch das zweite Medium ausgeglichen werden. Dies kann zur einer signifikanten Verbesserung der Sensititität führen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der durch das zweite aktive Medium erhöhte optische Gewinn größere optische Verluste ausgleichen. Hierdurch können die Anforderungen an das Material des ersten aktiven Mediums und/oder an den Detektor und/oder an die Anzahl oder Qualität der Oberflächen im Resonator sinken, so dass die Herstellung und/oder der Betrieb des Sensors vereinfacht sein können. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann durch den erhöhten Gewinn im zweiten Medium die Auskopplung durch einen der beiden Resonatorspiegel erhöht werden um das Verhältnis von Auskoppelverlusten zu internen Verlusten zu erhöhen und so die Steigung des Lasers und das Signal am Detektor zu erhöhen. Dies erlaubt die Optimierung der Sensitivität auf der Basis der Variation der Auskoppelspiegel.Alternatively or additionally, the optical gain increased by the second active medium compared to the prior art can be used to provide a lower density of color centers and / or a longer coherence time in the first active medium. In particular, more diamond material with a lower density of color centers can be used, so that a longer coherence time is achieved with the same number of emitters. Any higher material losses can be compensated for by the second medium. This can lead to a significant improvement in sensitivity. In some embodiments of the invention, the increased optical gain due to the second active medium can compensate for greater optical losses. This can reduce the requirements for the material of the first active medium and / or for the detector and / or for the number or quality of the surfaces in the resonator, so that the manufacture and / or the operation of the sensor can be simplified. In some embodiments of the invention, the increased gain in the second medium can increase the coupling-out by one of the two resonator mirrors in order to increase the ratio of coupling-out losses to internal losses and thus to increase the slope of the laser and the signal at the detector. This allows the sensitivity to be optimized on the basis of the variation in the output mirror.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste aktive Medium ein Festkörper sein oder einen Festkörper enthalten, welcher Farbzentren enthält. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Festkörper des ersten aktiven Mediums Diamant sein bzw. Diamant enthalten, welcher NV-Zentren enthält. Das NV-Zentrum besteht aus einem einzelnen Stickstoffatom auf einem Gitterplatz des Diamantgitters in Verbindung mit einer Nächster-Nachbar-Fehlstelle im Kohlenstoffgitter des Diamants. Die Elektronen des NV-Zentrums bilden im Grundzustand einen Triplet-Zustand mit einem Gesamtspin von 0 oder +1 oder -1. Bei Abwesenheit eines Magnetfeldes sind die beiden Zustände mit Spin ±1 energetisch entartet und damit ununterscheidbar. Das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes führt zur energetischen Aufspaltung der Zustände mit Spin +1 und -1. Die Größe dieser Aufspaltung ist abhängig von der Stärke des am Ort des NV-Zentrums herrschenden Magnetfeldes, so dass das NV-Zentren in Diamant grundsätzlich zur Messung eines externen Magnetfeldes geeignet sind. In gleicher Weise können Magnetfelder oder auch andere Messgrößen durch andere Farbzentren in anderen Festkörpern bestimmt werden. Da hierbei einzelne Quantenzustände manipuliert und zur Messung eines externen Feldes genützt werden, ist der Sensor und das Verfahren im Bereich der Quantensensorik angesiedelt.In some embodiments of the invention, the first active medium can be a solid or contain a solid which contains color centers. In some embodiments of the invention, the solid of the first active medium can be diamond or contain diamond which contains NV centers. The NV center consists of a single nitrogen atom on a lattice site of the diamond lattice in connection with a nearest neighbor defect in the carbon lattice of the diamond. In the ground state, the electrons of the NV center form a triplet state with a total spin of 0 or +1 or -1. In the absence of a magnetic field, the two states with spin ± 1 are energetically degenerate and thus indistinguishable. The application of an external magnetic field leads to the energetic splitting of the states with spin +1 and -1. The size of this split is dependent on the strength of the magnetic field prevailing at the location of the NV center, so that the NV centers in diamond are basically suitable for measuring an external magnetic field. In the same way, magnetic fields or other measured variables can be determined by other color centers in other solids. Since individual quantum states are manipulated and used to measure an external field, the sensor and the method are located in the field of quantum sensors.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung ist der Festkörper und das darin enthaltene Farbzentrum so ausgewählt, dass optisch detektierte magnetische Resonanz (ODMR) möglich ist, d.h. der optische Gewinn des ersten aktiven Mediums wird durch angelegte Radiofrequenzstrahlung variiert, wobei die Resonanzfrequenz von der äußeren zu messenden Größe abhängt. Das NV-Zentrum in Diamant kann in dieser Weise zur Bestimmung von Temperatur, Druck, Magnetfeld oder elektrischen Feldern eingesetzt werden. Auch Cer in Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) zeigt ODMR und kann ebenfalls als erstes aktives Medium zur Messung eines Magnetfeldes eingesetzt werden. Weitere Beispiele für andere mögliche Farbzentren in Diamant sind das Silizium-Vakanz Zentrum, das Germanium-Vakanz Zentrum oder das ST1 Zentrum. Beispiele für andere Farbzentren in anderen Festkörpern sind Fehlstellen-Vakanz-Zentren, Dotieratom-Vakanz-Zentren oder andere Farbzenten in Silizium Carbid oder Punktdefekte in Gruppe-III-Nitriden, wie AlN, GaN und BN.In some embodiments of the invention, the solid body and the color center contained therein is selected so that optically detected magnetic resonance (ODMR) is possible, i.e. the optical gain of the first active medium is varied by applied radio frequency radiation, the resonance frequency being dependent on the external variable to be measured depends. The NV center in diamond can be used in this way to determine temperature, pressure, magnetic field or electrical fields. Cerium in yttrium-aluminum-garnet (YAG) also shows ODMR and can also be used as the first active medium to measure a magnetic field. Further examples of other possible color centers in diamond are the silicon vacancy center, the germanium vacancy center or the ST1 center. Examples of other color centers in other solids are vacancy centers, doping atom vacancy centers or other color centers in silicon carbide or point defects in group III nitrides such as AlN, GaN and BN.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite aktive Medium einen optisch gepumpten Halbleiterlaser enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite aktive Medium zumindest einen Halbleiter-Scheibenlaser und/oder zumindest einen Halbleiter-Membranlaser enthalten oder daraus bestehen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite aktive Medium zumindest einen elektrisch gepumpten Diodenlaser enthalten oder daraus bestehen. Ein solcher Halbleiterlaser kann als Halbleiterheterostruktur ausgebildet sein, bei welcher sich aktive Schichten und Barrierenschichten abwechseln, um auf diese Weise ein Quantentopfstruktur zu bilden. Hierbei gibt die Anzahl der aktiven Schichten den möglichen optischen Gewinn bzw. die mögliche Verstärkung durch das zweite aktive Medium an. Die Bandlücke der aktiven Schichten definiert die Emissionswellenlänge, so dass der Wellenlängenbereich der vom zweiten aktiven Medium emittierten Strahlung an den Wellenlängenbereich der vom ersten aktiven Medium emittierten Strahlung angepasst werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung liegt der optische Gewinn dieser Quantentopfstrukturen im Bereich von etwa 630 nm bis etwa 800 nm. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Halbleiter-Heterostruktur aus dem AlGaInP Materialsystem hergestellt. Schließlich kann durch die Dicke der Barrierenschichten das Absorptionsverhalten des Pumplichtes im zweiten aktiven Medium eingestellt werden. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn der Sensor mit nur einer einzigen Pumpquelle betrieben wird, welche beide aktiven Medien pumpt, insbesondere wenn das Pumplicht das zweite aktive Medium zuerst durchläuft.In some embodiments of the invention, the second active medium may include or consist of an optically pumped semiconductor laser. In some embodiments of the invention, the second active medium can contain or consist of at least one semiconductor disk laser and / or at least one semiconductor membrane laser. In some embodiments of the invention, the second active medium can contain or consist of at least one electrically pumped diode laser. Such a semiconductor laser can be designed as a semiconductor heterostructure in which active layers and barrier layers alternate in order to form a quantum well structure in this way. Here, the number of active layers indicates the possible optical gain or the possible amplification by the second active medium. The band gap of the active layers defines the emission wavelength, so that the wavelength range of the radiation emitted by the second active medium can be adapted to the wavelength range of the radiation emitted by the first active medium. In one embodiment of the invention, the optical gain of these quantum well structures is in the range from about 630 nm to about 800 nm. In a further embodiment of the invention, the semiconductor heterostructure is produced from the AlGaInP material system. Finally, the absorption behavior of the pumped light in the second active medium can be adjusted through the thickness of the barrier layers. This is particularly helpful when the sensor is operated with only a single pump source which pumps both active media, in particular when the pump light passes through the second active medium first.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste aktive Medium eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweisen und das zweite aktive Medium kann eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite aufweisen, wobei die zweite Seite des ersten Mediums mit der ersten Seite des zweiten Mediums in Kontakt steht. Diese Form des Kontaktes kann vollflächig oder in einer Teilfläche vorliegen. Der Kontakt kann formschlüssig oder stoffschlüssig hergestellt sein. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass das erste aktive Medium nicht nur zur Bestimmung der gewünschten Messgröße verwendet wird, sondern gleichzeitig als Wärmespreizer fungiert, um Wärme aus den zweiten aktiven Medium abzuleiten. Zwischen der ersten Seite des zweiten aktiven Mediums und der zweiten Seite des ersten aktiven Mediums kann eine Zwischenschicht angeordnet sein, beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung oder einem Polymer. Die Zwischenschicht kann den Wärmeübergangswiderstand reduzieren und/oder die Haftfestigkeit verbessern.In some embodiments of the invention, the first active medium can have a first side and an opposing second side and the second active medium can have a first side and an opposing second side, the second side of the first medium being in contact with the first side of the second medium Contact is available. This form of contact can be present over the entire area or in a partial area. The contact can be made with a form fit or material fit. This feature has the effect that the first active medium is not only used to determine the desired measured variable, but at the same time acts as a heat spreader in order to dissipate heat from the second active medium. An intermediate layer, for example made of a metal or an alloy or a polymer, can be arranged between the first side of the second active medium and the second side of the first active medium. The intermediate layer can reduce the heat transfer resistance and / or improve the adhesive strength.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der erste Spiegel des optischen Resonators auf der ersten Seite des ersten aktiven Mediums angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der zweite Spiegel auf der zweiten Seite des zweiten aktiven Mediums angeordnet sein. In wiederum anderen Ausführungsformen der Erfindung können beide Spiegel auf gegenüberliegenden Seiten des ersten bzw. zweiten aktiven Mediums angeordnet sein. Hierdurch kann ein mechanisch robuster, stabiler und geometrisch kompakter Aufbau erzielt werden, welcher die Betriebssicherheit positiv beeinflussen kann.In some embodiments of the invention, the first mirror of the optical resonator can be arranged on the first side of the first active medium. In other embodiments of the invention, the second mirror can be arranged on the second side of the second active medium. In still other embodiments of the invention, both mirrors can be arranged on opposite sides of the first and second active medium, respectively. In this way, a mechanically robust, stable and geometrically compact structure can be achieved, which can have a positive effect on operational safety.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Detektor mit dem ersten Spiegel in Kontakt stehen, wobei der Detektor und das erste aktive Medium an gegenüberliegenden Seiten des Spiegels angeordnet sind. Fallweise kann zwischen Spiegel und Detektor zumindest ein optisches Element und/oder eine Bondschicht angeordnet sein. Hierdurch können Koppelverluste zwischen dem Resonator und dem Detektor reduziert sein.In some embodiments of the invention, the detector can be in contact with the first mirror, the detector and the first active medium being arranged on opposite sides of the mirror. In some cases, at least one optical element and / or a bonding layer can be arranged between the mirror and the detector. This can reduce coupling losses between the resonator and the detector.

Bei Betrieb der Vorrichtung kann die Frequenz der vom Radiofrequenzsender erzeugten elektromagnetischen Strahlung variiert werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann diese Frequenzvariation periodisch durchfahren werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Frequenzverlauf einer Sägezahnfunktion entsprechen, d.h. die Frequenz steigt linear von einem Minimal- zu einem Maximalwert, wobei dieser Verlauf zyklisch wiederholt wird. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann zur Erfassung der Messgröße elektromagnetische Strahlung in Abhängigkeit der Frequenz oder der Intensität der vom Radiofrequenzsender erzeugten elektromagnetischen Strahlung nachgewiesen werden.When the device is in operation, the frequency of the electromagnetic radiation generated by the radio frequency transmitter can be varied. In some embodiments of the invention, this Frequency variation are cycled through. In some embodiments of the invention, the frequency profile can correspond to a sawtooth function, ie the frequency increases linearly from a minimum to a maximum value, this profile being repeated cyclically. In some embodiments of the invention, electromagnetic radiation can be detected as a function of the frequency or the intensity of the electromagnetic radiation generated by the radio frequency transmitter in order to detect the measured variable.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Leistung der Pumpquelle variiert werden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann diese Variation periodisch erfolgen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann der Leistungsverlauf der Pumpquelle einer Sägezahnfunktion entsprechen, d.h. die Leistung steigt linear von einem Minimal- zu einem Maximalwert, wobei dieser Verlauf zyklisch wiederholt wird.In some embodiments of the invention, the power of the pump source can be varied. In some embodiments of the invention, this variation can be periodic. In some embodiments of the invention, the power curve of the pump source can correspond to a sawtooth function, i.e. the power increases linearly from a minimum to a maximum value, this curve being repeated cyclically.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Leistung der Pumpquelle an einem festen Arbeitspunkt eingestellt und dort konstant gehalten werden. Dieser Arbeitspunkt kann wie folgt festgelegt werden: Einstellung des optischen Gewinns im zweitem aktiven Medium derart, dass etwa 85% bis etwa 110% oder dass etwa 90% bis etwa 105% oder dass etwa 90% bis etwa 100% der Gesamtverluste des optischen Resonators ausgeglichen werden und Einstellung des optischen Gewinns des zweiten aktiven Medium derart, dass der aus dem optischen Resonator und den aktiven Medien gebildete Laser im Falle der Resonanz der elektromagnetischen Strahlung aus ist oder nur eine geringe erste Leistung P1 nahe der Laserschwelle besitztund für alle anderen Frequenzen der elektromagnetischen Strahlung AN ist oder eine zweite Leistung P2 besitzt die größer als P1 ist. Das Einstellen des optischen Gewinns des zweiten aktiven Mediums kann durch die Anzahl der Quantentopfstrukturen, die Wahl der Zusammensetzung und/oder der Dicke der Barrieren- und/oder Absorberschichten und/oder durch die Regelung der Pumpleistung erfolgen. Das Einstellen des optischen Gewinns des ersten aktiven Mediums kann durch die Anzahl der Farbzentren und/oder die Regelung der Pumpleistung erfolgen.In some embodiments of the invention, the power of the pump source can be set at a fixed operating point and kept constant there. This operating point can be determined as follows: Adjustment of the optical gain in the second active medium such that about 85% to about 110% or that about 90% to about 105% or that about 90% to about 100% of the total losses of the optical resonator are compensated and adjusting the optical gain of the second active medium such that the laser formed from the optical resonator and the active media is off in the case of resonance of the electromagnetic radiation or has only a low first power P 1 near the laser threshold and for all other frequencies of the electromagnetic radiation is ON or has a second power P 2 which is greater than P 1 . The setting of the optical gain of the second active medium can take place through the number of quantum well structures, the choice of the composition and / or the thickness of the barrier and / or absorber layers and / or through the regulation of the pump power. The setting of the optical gain of the first active medium can take place through the number of color centers and / or the regulation of the pump power.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Frequenz der vom Radiofrequenzsender erzeugten elektromagnetischen Strahlung mit einer ersten Periodenlänge variiert werden und die Leistung von zumindest einer Pumpquelle mit einer zweiten Periodenlänge. In diesem Fall kann die erste Periodenlänge kürzer gewählt sein als die zweite Periodenlänge.In some embodiments of the invention, the frequency of the electromagnetic radiation generated by the radio frequency transmitter can be varied with a first period length and the power of at least one pump source with a second period length. In this case, the first period length can be selected to be shorter than the second period length.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Licht der Pumpquelle durch den zweiten Spiegel hindurch in das erste und/oder zweite Medium eingekoppelt werden. Somit kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung ein linearer Aufbau von Pumpquelle, Resonator und Detektor vorliegen, welcher mechanisch robust und kompakt hergestellt und betrieben werden.In some embodiments of the invention, the light from the pump source can be coupled into the first and / or second medium through the second mirror. Thus, in some embodiments of the invention, a linear structure of pump source, resonator and detector can be present, which is manufactured and operated in a mechanically robust and compact manner.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Dabei zeigt

  • 1 ein Termschema eines erfindungsgemäß verwendbaren Farbzentrums.
  • 2 zeigt beispielhafte Ergebnisse einer Messung eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals.
  • 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor in einer ersten Ausführungsform.
  • 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor in einer zweiten Ausführungsform.
  • 5 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor in einer dritten Ausführungsform.
  • 6 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor in einer vierten Ausführungsform.
  • 7 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor in einer fünften Ausführungsform.
  • 8 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor in einer sechsten Ausführungsform.
  • 9 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor in einer siebten Ausführungsform.
  • 10 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor in einer achten Ausführungsform.
  • 11 zeigt beispielhaft die Durchführung einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Messung.
The invention is to be explained in more detail below with reference to figures without restricting the general inventive concept. It shows
  • 1 a term scheme of a color center which can be used according to the invention.
  • 2 shows exemplary results of a measurement of a magnetic field-dependent fluorescence signal.
  • 3 shows a sensor according to the invention in a first embodiment.
  • 4th shows a sensor according to the invention in a second embodiment.
  • 5 shows a sensor according to the invention in a third embodiment.
  • 6th shows a sensor according to the invention in a fourth embodiment.
  • 7th shows a sensor according to the invention in a fifth embodiment.
  • 8th shows a sensor according to the invention in a sixth embodiment.
  • 9 shows a sensor according to the invention in a seventh embodiment.
  • 10 shows a sensor according to the invention in an eighth embodiment.
  • 11 shows an example of the implementation of a measurement proposed according to the invention.

1 zeigt beispielhaft das Termschema eines NV-Zentrums in Diamant. Das NV-Zentrum ist ein Beispiel eines erfindungsgemäß verwendbaren Farbzentrums in einem Festkörper, dessen Termschema durch eine Messgröße beeinflussbar ist. Durch Messung dieses Einflusses kann auf die gewünschte Messgröße geschlossen werden. 1 shows an example of the term diagram of an NV center in diamond. The NV center is an example of a color center that can be used according to the invention in a solid, the term scheme of which can be influenced by a measured variable. By measuring this influence, conclusions can be drawn about the desired measured variable.

Das NV-Zentrum besteht aus einem Stickstoffatom, welches statt einem Kohlenstoffatom auf einem Gitterplatz des Diamant eingebaut ist und einer benachbarten Fehlstelle im Kristallgitter. Aus Messungen der Elektronspinresonanz ist bekannt, dass das NV-Zentrum eine gerade Anzahl von Elektronen mit einem Gesamtspin von 1 besitzt. Sowohl der Grundzustand 3A als auch der angeregte Zustand 3E bilden somit einen Triplet-Zustand. Der Elektronenspin dieses Zustandes kann die Werte -1, 0 und +1 annehmen. Bei Abwesenheit eines äußeren Magnetfeldes sind die Energieniveaus des Zustandes +1 und des Zustandes -1 entartet. Die Anwesenheit eines Magnetfeldes führt zur Aufspaltung dieser Niveaus, da sich der Gesamtspin parallel oder antiparallel zum Feldvektor ausrichten kann. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, liegen die Energieniveaus der Zustände mit Spin ±1 ohne äußeres angelegtes Magnetfeld oberhalb des Energieniveaus des Zustandes mit Spin 0.The NV center consists of a nitrogen atom, which is built into a lattice site of the diamond instead of a carbon atom, and an adjacent defect in the crystal lattice. It is known from measurements of the electron spin resonance that the NV center has an even number of electrons with a total spin of 1. Both the ground state 3 A and the excited state 3 E thus form a triplet state. The electron spin in this state can assume the values -1, 0 and +1. In the absence of an external magnetic field, the energy levels of state +1 and state -1 are degenerate. The presence of one Magnetic field leads to the splitting of these levels, since the total spin can be aligned parallel or anti-parallel to the field vector. How out 1 As can also be seen, the energy levels of the states with spin ± 1 without an externally applied magnetic field are above the energy level of the state with spin 0.

Durch Zufuhr von Pumplicht 55 aus einer Pumpquelle können Elektronen vom Grundzustand 3A in den angeregten Zustand 3E angehoben werden. Das hierzu verwendete Pumplicht kann aus dem grünen Spektralbereich gewählt sein und beispielsweise eine Wellenlänge von etwa 532 nm bis etwa 550 nm aufweisen. By supplying pump light 55 Electrons can be raised from the ground state 3 A to the excited state 3 E from a pump source. The pump light used for this purpose can be selected from the green spectral range and, for example, have a wavelength of approximately 532 nm to approximately 550 nm.

Der angeregte Zustand 3E zerfällt strahlend unter Aussendung roten Lichtes 8 mit einer Wellenlänge von etwa 637 nm bis etwa 800 nm. Alternativ zerfällt der angeregte Zustand mit der Spinquantenzahl ±1 über die Singletzustände 1A und 1E in den Grundzustand 3A.The excited state 3 E decays radiantly, emitting red light 8th with a wavelength of about 637 nm to about 800 nm. Alternatively, the excited state with the spin quantum number ± 1 decays via the single states 1 A and 1 E into the ground state 3 A.

Innerhalb des Grundzustandes 3A können Elektronen aus dem Grundzustand mit der Spinquantenzahl 0 in den angeregten Zustand mit der Spinquantenzahl ±1 angeregt werden. Hierzu kann hochfrequente Strahlung 75 eines Radiofrequenzsenders verwendet werden, welcher eine Frequenz von etwa 2,88 GHz aufweist. Diese Frequenz ändert sich bei Anwesenheit eines externen Magnetfeldes, wenn die Entartung der Spinzustände +1 und -1 aufgehoben wird. Daher kann nach dem Stand der Technik ein Magnetfeld bestimmt werden, indem dem aktiven Medium kontinuierlich Pumplicht 55 zugeführt und Fluoreszenzlicht 8 bestimmt wird, während die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung 75 geändert wird.Within the ground state 3 A, electrons can move out of the ground state with the spin quantum number 0 are excited into the excited state with the spin quantum number ± 1. This can be done using high-frequency radiation 75 a radio frequency transmitter can be used, which has a frequency of about 2.88 GHz. This frequency changes in the presence of an external magnetic field when the degeneracy of the spin states +1 and -1 is canceled. Therefore, according to the prior art, a magnetic field can be determined by continuously pumping light into the active medium 55 fed and fluorescent light 8th is determined while the frequency of electromagnetic radiation 75 will be changed.

Das Ergebnis einer solchen Messung ist in 2 dargestellt. Dargestellt ist in 2 das Fluoreszenzsignal in willkürlichen Einheiten auf der Ordinate sowie die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung 75 auf der Abszisse. Dargestellt sind vier Fluoreszenzsignale mit steigendem Magnetfeld B.The result of such a measurement is in 2 shown. Is shown in 2 the fluorescence signal in arbitrary units on the ordinate and the frequency of the electromagnetic radiation 75 on the abscissa. Four fluorescence signals with increasing magnetic field B are shown.

Wie 2 zeigt, ist die Intensität der Fuoreszenz immer dann reduziert, wenn die elektromagnetische Strahlung 75 den Übergang Spin 0 zu Spin +1 (oder -1) des Grundzustandes 3A treiben kann. Dementsprechend ist der optische Gewinn im Diamant, dotiert mit NV-Zentren, ebenfalls genau dann reduziert, wenn diese Resonanz getroffen wird. Dies bedeutet, dass zur Messung des Magnetfeldes eine Laserkennlinie (abgegebene Leistung gegen Pumpleistung) des ersten aktiven Mediums aufgenommen werden muss, wobei die Laserschwelle erhöht ist, wenn mit der elektromagnetischen Strahlung 75 die Resonanz getroffen wird. Für den bekannten NV-Laser wird daher folgender Betriebsmodus vorgeschlagen: Der NV-Laser wird gerade so stark gepumpt, dass er im Falle der Resonanz AUS ist (unterhalb der Laserschwelle) und für alle anderen Frequenzen der der elektromagnetischen Strahlung 75 (off-resonance) AN ist. Dann wird die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung 75 durchgestimmt und der Einbruch der Laserleistung bei der Resonanz der elektromagnetischen Strahlung 75 beobachtet. Anhand der Resonanzfrequenz kann dann auf das Magnetfeld geschlossen werden.As 2 shows, the intensity of the fluorescence is always reduced when the electromagnetic radiation 75 can drive the transition from spin 0 to spin +1 (or -1) of the ground state 3 A. Accordingly, the optical gain in diamond doped with NV centers is also reduced precisely when this resonance is hit. This means that a laser characteristic curve (output power versus pump power) of the first active medium has to be recorded in order to measure the magnetic field, the laser threshold being increased when using the electromagnetic radiation 75 the response is met. The following operating mode is therefore proposed for the known LV laser: The LV laser is pumped just so strongly that it is OFF in the case of resonance (below the laser threshold) and for all other frequencies that of the electromagnetic radiation 75 (off-resonance) is ON. Then the frequency of the electromagnetic radiation 75 tuned and the collapse of the laser power at the resonance of the electromagnetic radiation 75 observed. The magnetic field can then be deduced from the resonance frequency.

Wie 2 zeigt, sind die Energieniveaus mit Spin +1 und -1 entartet, solange kein magnetisches Feld anliegt. Mit zunehmendem magnetischem Feld wird die Entartung aufgehoben und der energetische Abstand der beiden Energieniveaus steigt an. Aus dem energetischen Abstand lässt sich das Magnetfeld bestimmen.As 2 shows, the energy levels with spin +1 and -1 are degenerate as long as no magnetic field is present. As the magnetic field increases, the degeneration is reversed and the energetic distance between the two energy levels increases. The magnetic field can be determined from the energetic distance.

Dem Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass das hier für ein Magnetfeld dargestellte Messprinzip auch auf andere Messgrößen übertragen werden kann. Erforderlich ist lediglich ein Farbzentrum in einem Festkörper, welches in der dargestellten Weise gepumpt werden kann und sensitiv auf die jeweilige Messgröße ist.The person skilled in the art is of course familiar that the measuring principle shown here for a magnetic field can also be transferred to other measured variables. All that is required is a color center in a solid body, which can be pumped in the manner shown and is sensitive to the respective measured variable.

Anhand der 3 wird eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors erläutert. Der Sensor enthält einen optischen Resonator 2. Der optische Resonator 2 enthält zumindest einen ersten Spiegel 21 und zumindest einen zweiten Spiegel 22, welche einen Resonanzraum zumindest teilweise begrenzen. Im Resonanzraum des Resonators 2 befindet sich zumindest ein erstes aktives Medium 3 und zumindest ein zweites aktives Medium 4. Das erste aktive Medium 3 kann beispielsweise ein Festkörper sein, welcher Farbzentren enthält. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das erste aktive Medium 3 Diamant enthalten oder daraus bestehen, welcher NV-Zentren enthält. Based on 3 a first embodiment of the sensor according to the invention is explained. The sensor contains an optical resonator 2 . The optical resonator 2 contains at least a first mirror 21 and at least a second mirror 22nd which at least partially limit a resonance space. In the resonance chamber of the resonator 2 there is at least a first active medium 3 and at least a second active medium 4th . The first active medium 3 can for example be a solid which contains color centers. In some embodiments of the invention, the first active medium can 3 Contain or consist of diamond which contains NV centers.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das zweite aktive Medium ein optisch oder elektrisch gepumpter Halbleiterlaser sein, welcher beispielsweise eine Halbleiterheterostruktur enthält. Die Halbleiterheterostruktur enthält eine Abfolge aus aktiven Schichten und Barrierenschichten, welche eine Quantentopfstruktur bilden.In some embodiments of the invention, the second active medium can be an optically or electrically pumped semiconductor laser which contains, for example, a semiconductor heterostructure. The semiconductor heterostructure contains a sequence of active layers and barrier layers which form a quantum well structure.

Das erste aktive Medium 3 ist so gewählt, dass dieses in der Lage ist, in einem ersten Wellenlängenbereich einen optischen Gewinn zu erzeugen. Dementsprechend ist das zweite aktive Medium 4 so gewählt, dass dieses in einem zweiten Wellenlängenbereicheinen optischen Gewinn erzeugen kann. Der erste und der zweite Wellenlängenbereich sind dabei zumindest teilweise identisch. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass aus dem ersten aktiven Medium 3 ausgesandtes Licht 8 im zweiten aktiven Medium 4 eine stimulierte Emission triggern kann. Das so durch das zweite aktive Medium 4 verstärkte Licht kann im Detektor 6 nachgewiesen werden, nachdem ein Teil der Intensität durch den ersten Spiegel 21 aus dem Resonator 2 ausgetreten ist. Die optischen Gewinne des ersten und zweiten aktiven Mediums dienen somit gemeinsam dem Erreichen der Laserschwelle.The first active medium 3 is chosen so that it is able to generate an optical gain in a first wavelength range. Correspondingly, the second active medium is 4th chosen so that this can produce an optical gain in a second wavelength range. The first and second wavelength ranges are at least partially identical. This characteristic has the effect that from the first active medium 3 emitted light 8th in the second active medium 4th can trigger a stimulated emission. So through the second active medium 4th amplified light can be in the detector 6th be detected after some of the intensity through the first mirror 21 from the resonator 2 has left. The optical gains of the first and second active medium thus serve together to reach the laser threshold.

Die in 3 dargestellte erste Ausführungsform zeigt weiterhin eine erste Pumpquelle 51, welche dazu eingerichtet ist, das erste aktive Medium 3 optisch zu pumpen. Weiterhin zeigt 3 eine zweite Pumpquelle 52, welche dazu eingerichtet ist, das zweite aktive Medium 4 zu pumpen. Hierdurch wird in den aktiven Medien 3 und 4 jeweils eine Lichtemission erzeugt, wie vorstehend beschrieben.In the 3 The first embodiment shown also shows a first pump source 51 which is set up to be the first active medium 3 to pump optically. Furthermore shows 3 a second pump source 52 which is set up for this purpose, the second active medium 4th to pump. This will be in the active media 3 and 4th each generates a light emission, as described above.

Schließlich zeigt 3 einen Radiofrequenzsender 7, welcher dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, welche zumindest auf das erste aktive Medium 3 einwirkt. Die elektromagnetische Strahlung induziert in Abhängigkeit der zumindest einen Messgröße zumindest einen Übergang zwischen zumindest zwei Zuständen des ersten aktiven Mediums 3, wie vorstehend anhand des in 1 dargestellten Termschemas gezeigt wurde. Sofern Diamant mit NV-Zentren als erstes aktives Medium 3 verwendet wird, kann der Radiofrequenzsender 7 elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 2,5 GHz bis etwa 120 GHz aussenden, um auf diese Weise den Übergang zwischen den Spinzuständen 0 und ±1 des 3A-Grundzustandes anzuregen.Finally shows 3 a radio frequency transmitter 7th , which is set up to generate electromagnetic radiation, which at least on the first active medium 3 acts. The electromagnetic radiation induces at least one transition between at least two states of the first active medium as a function of the at least one measured variable 3 , as above using the in 1 termschemas shown. Provided diamond with NV centers as the first active medium 3 the radio frequency transmitter can be used 7th Emit electromagnetic radiation in a wavelength range from about 2.5 GHz to about 120 GHz in order to stimulate the transition between the spin states 0 and ± 1 of the 3 A ground state.

Anhand der 4 bis 10 werden weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensors erläutert. Gleiche Bestandteile der Erfindung sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sich die nachfolgende Beschreibung auf die wesentlichen Unterschiede beschränkt.Based on 4th until 10 further embodiments of the sensor according to the invention are explained. The same components of the invention are provided with the same reference symbols, so that the following description is limited to the essential differences.

So zeigt 4 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors. Dieser unterscheidet sich von der in 3 dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass eine gemeinsame Pumpquelle 5 vorgesehen ist, welche sowohl das erste aktive Medium 3 als auch das zweite aktive Medium 4 pumpt.So shows 4th a second embodiment of the sensor according to the invention. This differs from the in 3 illustrated first embodiment in that a common pump source 5 is provided which is both the first active medium 3 as well as the second active medium 4th pumps.

Anhand der 5 wird eine dritte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Diese unterscheidet sich von den vorangegangenen Ausführungsformen dadurch, dass das erste aktive Medium 3 eine erste Seite 31 und eine gegenüberliegende zweite Seite 32 aufweist. In gleicher Weise weist das zweite aktive Medium 4 eine zweite Seite 41 und eine gegenüberliegende Seite 42 auf. Das erste aktive Medium 3 und das zweite aktive Medium 4 sind dabei so miteinander verbunden, dass die zweite Seite 32 des ersten aktiven Mediums 3 mit der ersten Seite 41 des zweiten aktiven Mediums 4 in Kontakt steht. Dieser Kontakt kann formschlüssig oder stoffschlüssig ausgeführt sein. Optional können nicht dargestellte Zwischenschichten vorhanden sein, beispielsweise eine Wärmeleitpaste oder ein Klebstoff. Dieses Merkmal hat die Wirkung, dass der als erstes aktives Medium 3 verwendete Diamant zusätzlich als Wärmespreizer die im zweiten aktiven Medium 4 anfallende Verlustleistung abführen kann.Based on 5 a third embodiment of the invention will be explained. This differs from the previous embodiments in that the first active medium 3 a first page 31 and an opposite second side 32 having. In the same way, the second active medium 4th a second page 41 and an opposite side 42 on. The first active medium 3 and the second active medium 4th are connected in such a way that the second side 32 of the first active medium 3 with the first page 41 of the second active medium 4th is in contact. This contact can be designed with a form fit or material fit. Optionally, intermediate layers (not shown) can be present, for example a thermal paste or an adhesive. This characteristic has the effect of being the first active medium 3 Diamond also used the heat spreader in the second active medium 4th can dissipate any power loss.

Anhand der 6 wird eine vierte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Diese unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsform dadurch, dass der zweite Spiegel 22 des optischen Resonators 2 auf der zweiten Seite 42 des zweiten aktiven Mediums 4 angeordnet ist. Dies kann beispielsweise durch Sputtern oder thermischess Aufdampfen einer dielektrischen Beschichtung aus einem Metall oder einer Legierung erfolgen. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann der Spiegel 22 durch Kleben oder Löten mit dem zweiten aktiven Medium 4 gefügt werden. In wiederum anderen Ausführungsformen ist der Spiegel in die Halbleiter-Heterostruktur des zweiten aktiven Mediums integriert durch geeignete Halbleiterschichtenstapel mit unterschiedlichem Brechungsindex.Based on 6th a fourth embodiment of the invention will be explained. This differs from the third embodiment described above in that the second mirror 22nd of the optical resonator 2 on the second page 42 of the second active medium 4th is arranged. This can be done, for example, by sputtering or thermal vapor deposition of a dielectric coating made of a metal or an alloy. In other embodiments of the invention, the mirror 22nd by gluing or soldering to the second active medium 4th be joined. In yet other embodiments, the mirror is integrated into the semiconductor heterostructure of the second active medium by means of suitable semiconductor layer stacks with different refractive indices.

Anhand der 7 wird eine fünfte Ausführungsform der Erfindung erläutert. In der fünften Ausführungsform ist zusätzlich oder alternativ der erste Spiegel 21 unmittelbar auf der ersten Seite 31 des ersten aktiven Mediums 3 befestigt. Auch dieser erste Spiegel 21 kann durch Sputtern, Aufdampfen, Plasmabeschichten oder andere, an sich bekannte Beschichtungsverfahren erzeugt oder als diskretes Bauelement mit dem ersten aktiven Medium 3 gefügt werden. Die Integration eines oder beider Spiegel 21 und/oder 22 hat die Wirkung, dass Koppelverluste zwischen den aktiven Medien 3 und 4 und den Spiegel 21 und 22 reduziert werden können und/oder dass ein kompakter, stabiler und mechanisch robuster Aufbau entsteht, welcher zusätzliche Stabilität auch im optischen Output ermöglicht und/oder auch in rauen Umgebungsbedingungen zuverlässige Messungen des Magnetfeldes ermöglichen. Für den Fall dass zwei planare Spiegel verwendet werden kann die Laserkavität durch Nutzung der thermischen Effekte innerhalb der aktiven Medien stabilisiert werden: Durch die Ausbildung einer thermischen Linse im ersten und/oder dem zweiten Medium kann auch in diesem Fall eine stabile Laserkavität erreicht werden.Based on 7th a fifth embodiment of the invention will be explained. In the fifth embodiment, the first mirror is additionally or alternatively 21 immediately on the first page 31 of the first active medium 3 attached. This first mirror too 21 can be produced by sputtering, vapor deposition, plasma coating or other coating methods known per se or as a discrete component with the first active medium 3 be joined. The integration of one or both mirrors 21 and or 22nd has the effect of reducing coupling losses between the active media 3 and 4th and the mirror 21 and 22nd can be reduced and / or that a compact, stable and mechanically robust structure is created, which also enables additional stability in the optical output and / or also enables reliable measurements of the magnetic field in harsh environmental conditions. In the event that two planar mirrors are used, the laser cavity can be stabilized by using the thermal effects within the active media: By forming a thermal lens in the first and / or the second medium, a stable laser cavity can also be achieved in this case.

Anhand der 8 wird eine sechste Ausführungsform der Erfindung erläutert. Diese unterscheidet sich von den vorangegangenen Ausführungsformen dadurch, dass der zweite Spiegel 22 als teildurchlässiger bzw. wellenlängenabhängiger Spiegel ausgeführt ist, so dass die Pumpquelle 5 das Pumplicht durch den zweiten Spiegel 22 über die zweite Seite 42 in das zweite aktive Medium 4 einkoppeln kann. Von dort kann das Pumplicht über die erste Seite 41 in das erste aktive Medium 3 eingekoppelt werden. Hierdurch wird der für den Sensor benötigte Bauraum weiter reduziert. Sofern die Pumpquelle 5 als Halbleiterlichtquelle ausgeführt ist, beispielsweise als Halbleiterlaser, Leuchtdiode oder Superlumineszenzdiode, kann diese unmittelbar auf der Oberfläche des zweiten Spiegels 22 erzeugt bzw. mit diesem gefügt werden, so dass ein noch kompakterer, stabilerer und mechanisch robusterer Aufbau entsteht. Dabei kann die Reihenfolge des zweiten und ersten aktiven Mediums auch vertauscht sein.Based on 8th a sixth embodiment of the invention will be explained. This differs from the previous embodiments in that the second mirror 22nd is designed as a partially transparent or wavelength-dependent mirror, so that the pump source 5 the pump light through the second mirror 22nd about the second page 42 into the second active medium 4th can couple. From there, the pump light can be over the first page 41 into the first active medium 3 are coupled. This further reduces the installation space required for the sensor. Unless the pump source 5 is designed as a semiconductor light source, for example as a semiconductor laser, light emitting diode or superluminescent diode, this can be directly on the surface of the second mirror 22nd generated or joined with this, so that an even more compact, stable and mechanically more robust structure is created. The order of the second and first active medium can also be interchanged.

Anhand der 9 und 10 werden siebte und achte Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Diese unterscheiden sich von den vorangegangenen Ausführungsformen dadurch, dass auch der Detektor 6, welcher beispielsweise als Photodiode ausgeführt sein kann, unmittelbar auf den ersten Spiegel 21 gefügt ist. Gemäß der achten Ausführungsform, welche in 9 dargestellt ist, kann zwischen dem Detektor 6 und dem ersten Spiegel 21 ein Bondschicht 65 und/oder ein optisches Element angeordnet sein. Das optische Element kann beispielsweise als Linse ausgeführt sein, um das Laserlicht 8 auf den Detektor 6 zu fokussieren. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können dispersive Elemente oder Filterelemente Verwendung finden, um Störlicht vom Detektor 6 fernzuhalten.Based on 9 and 10 Seventh and eighth embodiments of the invention are explained. These differ from the previous embodiments in that the detector 6th , which can be designed as a photodiode, for example, directly on the first mirror 21 is joined. According to the eighth embodiment shown in 9 shown can be between the detector 6th and the first mirror 21 a bond layer 65 and / or an optical element can be arranged. The optical element can be designed, for example, as a lens to the laser light 8th on the detector 6th to focus. In other embodiments of the invention, dispersive elements or filter elements can be used to remove interference light from the detector 6th keep away.

Anhand der 11 wird nochmals eine Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Dargestellt ist das Ausgangssignal des des Detektors 6, welcher die Intensität der Laserstrahlung 8 nachweist gegen die Zeit sowie die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung 75 gegen die Zeit. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Pumpleistung der Pumpquelle 5 bzw. der Pumpquellen 51 und 52 konstant. Die Pumpleistung ist so gewählt, dass der aus den aktiven Medien und dem optischen Resonator gebildete Laser AUS ist oder eine geringe Leistung P1 nahe der Schwelle zeigt, wenn die elektromagnetischen Strahlung 75 Übergänge zwischen den Triplettzuständen 0 und ±1 des Grundzustandes 3A resonant anregt. Wenn die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung 75 so gewählt ist, dass diese keine Übergänge zwischen den Triplettzuständen 0 und ±1 des Grundzustandes 3A resonant elektromagnetischen Strahlung 75 Übergänge zwischen den Triplettzuständen 0 und ±1 des Grundzustandes 3A resonant anregt, ist der Laser AN oder zeigt eine hohe Leistung P2 mit P2 > P1.Based on 11 an alternative of the method according to the invention is explained again. The output signal of the detector is shown 6th , which is the intensity of the laser radiation 8th proves against the time as well as the frequency of the electromagnetic radiation 75 against the time. In the illustrated embodiment, the pump power is the pump source 5 or the pump sources 51 and 52 constant. The pump power is chosen so that the laser formed from the active media and the optical resonator is OFF or shows a low power P 1 near the threshold when the electromagnetic radiation 75 Transitions between the triplet states 0 and ± 1 of the ground state 3 A resonantly excites. When the frequency of electromagnetic radiation 75 is chosen so that there are no transitions between the triplet states 0 and ± 1 of the ground state 3 A resonant electromagnetic radiation 75 Transitions between the triplet states 0 and ± 1 of the ground state 3 A resonantly excites, the laser is ON or shows a high power P 2 with P 2 > P 1 .

Die Frequenz des Radiofrequenzsenders 7 wird zum Zeitpunkt t0 ausgehend vom Minimalwert zu ihrem Maximalwert linear moduliert. Bei Erreichen des Maximalwertes wird der Radiofrequenzsender abgeschaltet und beginnt wieder mit der niedrigsten Frequenz. Die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung 75 des Radiofrequenzsenders 7 wird somit mit einer Sägezahnfunktion mit einer ersten Periode moduliert.The frequency of the radio frequency transmitter 7th is linearly modulated at time t 0 starting from the minimum value to its maximum value. When the maximum value is reached, the radio frequency transmitter is switched off and starts again with the lowest frequency. The frequency of the electromagnetic radiation 75 of the radio frequency transmitter 7th is thus modulated with a sawtooth function with a first period.

Jeweils zum Zeitpunkt t1 ist der optische Gewinn des ersten aktiven Mediums so weit abgefallen, dass dieser nicht mehr durch den optischen Gewinn des zweiten aktiven Mediums kompensiert werden kann und der Laser aus geht, was durch den Detektor 6 erfasst werden kann. Dies bedeutet, dass Radiofrequenzsender 7 zu diesem Zeitpunkt eine elektromagnetische Strahlung 75 aussendet, welche beim gerade anliegenden magnetischen Feld Elektronen mit Spin 0 im Grundzustand 3A in den Zustand mit Spin 1 anhebt. Aus der gerade anliegenden Frequenz des Radiofrequenzsenders 7 kann somit die Größe der Aufspaltung der Triplettzustände 0 und ±1 des Grundzustandes 3A und daraus das anliegende Magnetfeld bestimmt werden, wie anhand von 2 erläutert.In each case at time t 1 , the optical gain of the first active medium has dropped so far that it can no longer be compensated for by the optical gain of the second active medium and the laser goes out, which is caused by the detector 6th can be captured. This means that radio frequency transmitter 7th at this time an electromagnetic radiation 75 emits, which, when the magnetic field is currently applied, electrons with spin 0 in the ground state 3 A in the state with spin 1 raises. From the current frequency of the radio frequency transmitter 7th the size of the splitting of the triplet states 0 and ± 1 of the ground state 3 A and from this the applied magnetic field can be determined, as with the aid of 2 explained.

12 zeigt eine zweite Laserkennlinie 82 bei resonanter Anregung von Übergängen zwischen den Triplettzuständen 0 und ±1 des Grundzustandes 3A durch die elektromagnetische Strahlung 75. Weiterhin zeigt 12 zeigt eine erste Laserkennlinie 81, wenn Übergänge zwischen den Triplettzuständen 0 und ±1 des Grundzustandes 3A durch die elektromagnetische Strahlung 75 nicht angeregt werden. Unter einer Laserkennlinie 81 oder 82 wird das Verhältnis der Ausgangsleistung, d.h. die Intensität der Laserstrahlung 8, und der Pumpleitung verstanden. Dabei ist die Pumpleistung p auf der Abszisse und die Ausgangsleistung I auf der Ordinate dargestellt. Wie den Laserkennlinien 81 und 82 entnommen werden kann, weisen diese jeweils eine Laserschwelle p1 bzw. P2 auf, oberhalb derer eine stimulierte Emission und damit ein Laserbetrieb des Sensors einsetzt. 12th shows a second laser characteristic 82 with resonant excitation of transitions between the triplet states 0 and ± 1 of the ground state 3 A due to the electromagnetic radiation 75 . Furthermore shows 12th shows a first laser characteristic 81 , if transitions between the triplet states 0 and ± 1 of the ground state 3 A due to the electromagnetic radiation 75 not be stimulated. Under a laser characteristic 81 or 82 becomes the ratio of the output power, ie the intensity of the laser radiation 8th , and understood the pump line. The pump power p is shown on the abscissa and the output power I on the ordinate. Like the laser characteristics 81 and 82 can be taken, they each have a laser threshold p1 or P 2 , above which a stimulated emission and thus a laser operation of the sensor begins.

Wie in Zusammenschau mit der 11 ersichtlich ist, befindet sich der Sensor zum Zeitpunkt t1 jeweils in einem Zustand, welcher durch die zweite Laserkennlinie 82 beschrieben wird. Zu den übrigen Zeitpunkten befindet sich der Sensor jeweils in einem Zustand, welcher durch die erste Laserkennlinie 81 beschrieben wird.As in the context of the 11 As can be seen, at time t 1 the sensor is in a state which is indicated by the second laser characteristic 82 is described. At the other times, the sensor is in a state which is indicated by the first laser characteristic 81 is described.

Im Betrieb wird der optische Gewinn im zweiten aktiven Medium 4 so eingestellt, dass etwa 98% bis etwa 85% oder etwa 95% bis etwa 90% oder etwa 97% bis etwa 90% der Gesamtverluste der Laserkavität ausgeglichen werden. Das Einstellen des optischen Gewinns kann durch Steuerung oder Regelung der Pumpleistung erfolgen. Dieser Bereich ist in 12 als Arbeitsbereich 750 dargestellt.In operation, the optical gain is in the second active medium 4th adjusted so that about 98% to about 85% or about 95% to about 90% or about 97% to about 90% of the total losses of the laser cavity are compensated. The optical gain can be set by controlling or regulating the pump output. This area is in 12th shown as work area 750.

Der absolute Wert der notwendigen Pumpleistung bzw. die Lage des Arbeitsbereichs 750 auf der Abszisse kann bei der Konstruktion des Sensors durch die Wahl des zweiten aktiven Mediums bzw. dessen Materialparameter festgelegt werden. Die Materialparameter können ausgewählt sein aus der Anzahl der Quantentöpfe und/oder durch die Anzahl der Barrierenschichten und/oder die Länge des zweiten aktiven Mediums 4 und/oder die Anzahl der zweiten Medien 4. Weiterhin kann der optische Gewinn des ersten aktiven Mediums durch Steuerung oder Regelung der Pumpleistung und/oder durch die Anzahl der NV-Zentren bzw. die Volumendichte der NV-Zentren und/oder die Wahl der Länge des ersten aktiven Mediums oder der Anzahl der ersten aktiven Medien beeinflusst werden.The absolute value of the necessary pump power or the position of the working area 750 on the abscissa can be determined by the choice of the second active medium when designing the sensor or its material parameters are defined. The material parameters can be selected from the number of quantum wells and / or by the number of barrier layers and / or the length of the second active medium 4th and / or the number of second media 4th . Furthermore, the optical gain of the first active medium can be achieved by controlling or regulating the pump power and / or by the number of NV centers or the volume density of the NV centers and / or the choice of the length of the first active medium or the number of the first active ones Media are influenced.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.Of course, the invention is not limited to the embodiments shown. The above description is therefore not to be regarded as restrictive, but rather as explanatory. The following claims are to be understood in such a way that a named feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of further features. Insofar as the claims and the above description define “first” and “second” embodiments, this designation serves to distinguish between two similar embodiments without defining an order of precedence.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2017/0030982 A1 [0002]US 2017/0030982 A1 [0002]

Claims (12)

Sensor (1) zur Erfassung von zumindest einer Messgröße, enthaltend zumindest einen optischen Resonator (2), zumindest ein erstes aktives Medium (3), welches im Resonator (2) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, einen optischen Gewinn in einem ersten Wellenlängenbereich zu erzeugen, zumindest eine Pumpquelle (5, 51, 52), welche dazu eingerichtet ist, das erste aktive Medium (3) anzuregen, zumindest einen Detektor (6), welcher dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung zu erfassen, zumindest einen Radiofrequenzsender (7), welcher dazu eingerichtet ist, elektromagnetische Strahlung zu erzeugen, welche auf das erste aktive Medium (3) einwirkt und welche in Abhängigkeit der zumindest einen Messgröße zumindest einen Übergang zwischen zumindest zwei Zuständen des ersten aktiven Mediums (3) anregt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor weiterhin zumindest ein zweites aktives Medium (4) enthält, welches im Resonator (2) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, einen optischen Gewinn in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erzeugen, wobei das erste und das zweite aktive Medium (3, 4) im Zusammenwirken mit dem Resonator (2) eine Laserschwelle aufweisen, und zumindest eine Pumpquelle (5, 51, 52), dazu eingerichtet ist, das zweite aktive Medium (3) anzuregen, wobei der erste und der zweite Wellenlängenbereich zumindest teilweise identisch sind.Sensor (1) for detecting at least one measured variable, containing at least one optical resonator (2), at least one first active medium (3) which is arranged in the resonator (2) and is set up to provide an optical gain in a first wavelength range generate, at least one pump source (5, 51, 52) which is set up to excite the first active medium (3), at least one detector (6) which is set up to detect laser radiation, at least one radio frequency transmitter (7), which is set up to generate electromagnetic radiation which acts on the first active medium (3) and which, depending on the at least one measured variable, stimulates at least one transition between at least two states of the first active medium (3), characterized in that the sensor furthermore contains at least one second active medium (4) which is arranged in the resonator (2) and is set up to convert an optical gain into a m second wavelength range, wherein the first and the second active medium (3, 4) in cooperation with the resonator (2) have a laser threshold, and at least one pump source (5, 51, 52) is set up, the second active To stimulate the medium (3), the first and the second wavelength range being at least partially identical. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste aktive Medium (3) Diamant enthält oder daraus besteht, welcher Farbzentren enthält, oder dass das erste aktive Medium (3) Diamant enthält oder daraus besteht, welcher NV-Zentren enthält.Sensor after Claim 1 , characterized in that the first active medium (3) contains or consists of diamond which contains color centers, or that the first active medium (3) contains or consists of diamond which contains NV centers. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite aktive Medium (4) einen optisch oder elektrisch gepumpten Halbleiterlaser enthält oder daraus besteht, oder dass das zweite aktive Medium (4) ein oberflächenemittierender Halbleiterlaser ist.Sensor after Claim 1 or 2 , characterized in that the second active medium (4) contains or consists of an optically or electrically pumped semiconductor laser, or that the second active medium (4) is a surface-emitting semiconductor laser. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste aktive Medium (3) eine erste Seite (31) und eine gegenüberliegende zweite Seite (32) aufweist und das zweite aktive Medium (4) eine erste Seite (41) und eine gegenüberliegende zweite Seite (42) aufweist, wobei die zweite Seite (32) des ersten Mediums (3) mit der ersten Seite (41) des zweiten Medium (4) in Kontakt steht.Sensor after one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the first active medium (3) has a first side (31) and an opposite second side (32) and the second active medium (4) has a first side (41) and an opposite second side (42) wherein the second side (32) of the first medium (3) is in contact with the first side (41) of the second medium (4). Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Resonator (2) zumindest einen ersten Spiegel (21) und zumindest einen zweiten Spiegel (22) aufweist und der erste Spiegel (21) auf der ersten Seite (31) des ersten Mediums (3) angeordnet ist und/oder dass der zweite Spiegel (22) auf der zweiten Seite (42) des zweiten Mediums (4) angeordnet ist.Sensor after one of the Claims 1 until 4th , characterized in that the optical resonator (2) has at least one first mirror (21) and at least one second mirror (22) and the first mirror (21) is arranged on the first side (31) of the first medium (3) and / or that the second mirror (22) is arranged on the second side (42) of the second medium (4). Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (6) mit dem ersten Spiegel (21) in Kontakt steht oder dass der Detektor (6) mit dem zweiten Spiegel (22) in Kontakt steht.Sensor after one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the detector (6) is in contact with the first mirror (21) or that the detector (6) is in contact with the second mirror (22). Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpquelle (5, 51, 52) einen Diodenlaser enthält oder daraus besteht.Sensor after one of the Claims 1 until 6th , characterized in that the pump source (5, 51, 52) contains or consists of a diode laser. Verfahren zur Erfassung von zumindest einer Messgröße, enthaltend folgende Schritte: Bereitstellen einer Vorrichtung mit zumindest einem optischen Resonator (2), zumindest einem ersten aktiven Medium (3), welches im Resonator (2) angeordnet und dazu eingerichtet ist, einen optischen Gewinn in einem ersten Wellenlängenbereich zu erzeugen, zumindest einer Pumpquelle (5, 51, 52), zumindest einem Detektor (6) und zumindest einem Radiofrequenzsender (7), Anordnen der Vorrichtung (1) an einem Messort, so dass zumindest das erste aktive Medium (3) der zu erfassenden Messgröße ausgesetzt ist, wobei mit dem Radiofrequenzsender (7) elektromagnetische Strahlung erzeugt wird, welche zumindest auf das erste aktive Medium (3) einwirkt und welche in Abhängigkeit der zumindest einen Messgröße zumindest einen Übergang zwischen zumindest zwei Zuständen des ersten aktiven Mediums (3) anregt, wobei mit zumindest einer Pumpquelle (5, 51, 52) das erste aktive Medium (3, 4) zu optischer Emission angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor weiterhin zumindest ein zweites aktives Medium (4) enthält, welches im Resonator (2) angeordnet und dazu eingerichtet ist, einen optischen Gewinn in einem zweiten Wellenlängenbereich zu erzeugen, wobei der erste und der zweite Wellenlängenbereich zumindest teilweise identisch sind und das erste und das zweite aktive Medium (3, 4) im Zusammenwirken mit dem Resonator (2) eine Laserschwelle aufweisen, wobei mit der zumindest einen Pumpquelle (5, 51, 52) das zweite aktive Medium (3) zu optischer Emission angeregt wird, und mit dem zumindest einen Detektor Laserstrahlung nachgewiesen wird, deren Intensität auf die zu messende Größe schließen lässt.A method for detecting at least one measured variable, comprising the following steps: providing a device with at least one optical resonator (2), at least one first active medium (3) which is arranged in the resonator (2) and is set up to produce an optical gain in one to generate the first wavelength range, at least one pump source (5, 51, 52), at least one detector (6) and at least one radio frequency transmitter (7), arranging the device (1) at a measurement location so that at least the first active medium (3) is exposed to the measured variable to be detected, with the radio frequency transmitter (7) generating electromagnetic radiation which acts at least on the first active medium (3) and which, depending on the at least one measured variable, at least one transition between at least two states of the first active medium ( 3) stimulates, the first active medium (3, 4) being stimulated to optical emission with at least one pump source (5, 51, 52) d, characterized in that the sensor further contains at least one second active medium (4) which is arranged in the resonator (2) and is set up to generate an optical gain in a second wavelength range, the first and second wavelength ranges at least partially are identical and the first and the second active medium (3, 4) have a laser threshold in cooperation with the resonator (2), the second active medium (3) for optical emission with the at least one pump source (5, 51, 52) is excited, and the at least one detector is used to detect laser radiation, the intensity of which indicates the variable to be measured. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße ein magnetisches Feld ist oder ein magnetisches Feld umfasst.Procedure according to Claim 8 , characterized in that the measured variable is a magnetic field or comprises a magnetic field. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des Laserlichtes gemessen wird und diese Intensität durch vorhergehende Eichung ein direktes Maß der zu messenden Größe ist.Method according to one of the Claims 8 or 9 , characterized in that the intensity of the laser light is measured and this intensity is a direct measure of the variable to be measured due to previous calibration. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz oder die Intensität der vom Radiofrequenzsender (7) erzeugten elektromagnetischen Strahlung variiert und die Intensität des Laserlichtes über ein Lock-in Verfahren detektiert wird oder dass die Intensität des von der Pumpquelle (5, 51) erzeugten, auf das erste Medium eintreffenden Pumplichtes variiert und die Intensität des Laserlichtes über ein Lock-in Verfahren detektiert wird.Method according to one of the Claims 8 until 10 , characterized in that the frequency or the intensity of the electromagnetic radiation generated by the radio frequency transmitter (7) varies and the intensity of the laser light is detected via a lock-in method or that the intensity of the generated by the pump source (5, 51), on the first medium incoming pump light varies and the intensity of the laser light is detected via a lock-in process. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Pumpquelle (5, 51, 52) durch zumindest einen Spiegel (21, 22) in das erste und/oder zweite Medium (3, 4) eingekoppelt wird.Method according to one of the Claims 8 until 11 , characterized in that the light from the pump source (5, 51, 52) is coupled into the first and / or second medium (3, 4) through at least one mirror (21, 22).
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