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
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
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.
-
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.
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
Durch Zufuhr von Pumplicht
Der angeregte Zustand 3E zerfällt strahlend unter Aussendung roten Lichtes
Innerhalb des Grundzustandes 3A können Elektronen aus dem Grundzustand mit der Spinquantenzahl
Das Ergebnis einer solchen Messung ist in
Wie
Wie
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
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
Die in
Schließlich zeigt
Anhand der
So zeigt
Anhand der
Anhand der
Anhand der
Anhand der
Anhand der
Anhand der
Die Frequenz des Radiofrequenzsenders
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
Wie in Zusammenschau mit der
Im Betrieb wird der optische Gewinn im zweiten aktiven Medium
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
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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2017/0030982 A1 [0002]US 2017/0030982 A1 [0002]
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2023136015A1 (en) * | 2022-01-17 | 2023-07-20 | 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構 | Physical quantity detecting device, physical quantity detecting method, and physical quantity detecting program |
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US20170030982A1 (en) | 2015-07-28 | 2017-02-02 | Rmit University | Sensor for measuring an external magnetic field |
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2020
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Title |
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DUMEIGE, Yannick, et al. Infrared laser threshold magnetometry with a NV doped diamond intracavity etalon. Optics express, 2019, 27. Jg., Nr. 2, S. 1706-1717. |
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