DE102020207200A1

DE102020207200A1 - Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes

Info

Publication number: DE102020207200A1
Application number: DE102020207200.0A
Authority: DE
Inventors: Julian Kassel; Thomas Buck; Andreas Brenneis; Tino Fuchs; Felix Michael Stuerner; Robert Roelver
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2021-12-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit (400) zum Erfassen eines Magnetfeldes mit einem Sensorkopf (300), wobei der Sensorkopf (300) umfasst:- eine Lichtquelle (402) zum Erzeugen von Licht,- einen hochsensitiven Diamanten (304) mit mindestens einem negativ geladenen NV-Zentrum, das eine fluoreszierende Wirkung hat und somit Fluoreszenz emittiert,- eine optische Faser (301) und einen optischen Faserkoppler, um das Licht der Lichtquelle (402) in die optische Faser (301) zu koppeln,- und eine Optik (303), an der die Faser (301) angeklebt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes und ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes, das mit einer solchen Sensoreinheit durchgeführt wird.
Stand der Technik
Ein Magnetfeld ist ein Vektorfeld, das den magnetischen Einfluss elektrischer Ladungen in Relativbewegungen und magnetisierten Materialien beschreibt. Magnetfelder können bspw. durch magnetische Materialien, elektrische Ströme und zeitliche Änderungen eines elektrischen Feldes verursacht werden.
Ein Magnetfeld kann mit unterschiedlichen Größen beschrieben werden. So ist die magnetische Flussdichte, die auch als magnetische Induktion bezeichnet wird, eine physikalische Größe der Elektrodynamik, die die Flächendichte des magnetischen Flusses, der senkrecht durch ein bestimmtes Flächenelement hindurchtritt, beschreibt. Die magnetische Flussdichte ist eine gerichtete Größe, d. h. ein Vektor.
Die magnetische Feldstärke H ist eine weitere Größe, die das magnetische Feld beschreibt. Diese hängt mit der magnetischen Flussdichte B über die Beziehung zusammen: $B = μ * H,$
wobei µ die magnetische Permeabilität ist.
Zum Erfassen eines Magnetfelds ist es erforderlich, eine Größe aufzunehmen, die dieses Magnetfeld beschreibt. So kann bspw. eine Messeinrichtung verwendet werden, die eine Größe des Magnetfeldes, wie bspw. die magnetische Flussdichte oder die magnetische Feldstärke, erfasst und der erfassten Größe einen Wert zuordnet. Eine solche Messeinrichtung wird bspw. als Magnetometer bezeichnet.
Ein Magnetometer ist eine sensorische Einrichtung zum Messen von magnetischen Flussdichten. Magnetische Flussdichten werden in der Einheit Tesla (T) gemessen. Gebräuchliche Magnetometer sind bspw. Hall-Sensoren, Förster-Sonden, Protonenmagnetometer, Kerr-Magnetometer und Farady-Magnetometer.
Hierin wird insbesondere auf die Sensoreinheit eines Magnetometers eingegangen, die die Einheit darstellt, die dazu eingerichtet ist, die Größe, die zum Beschreiben des Magnetfeldes herangezogen wird und die somit dieses Magnetfeld repräsentiert, zu erfassen.
Neben den genannten Magnetometern ist auch der Einsatz von Diamanten bekannt, in deren Gitterdefekte bzw. Fehlstellen vorgesehen sind, die in Abhängigkeit von einem anliegenden Magnetfeld ein erfassbares Verhalten zeigen. So ist es bekannt, eine negativ geladene Stickstoff-Fehlstelle (engl.: nitrogen vacancy center, NV-Zentrum) in einem Diamant für hochempfindliche Messungen von Magnetfeldern, elektrischen Feldern, mechanischen Spannungen und Temperaturen zu nutzen. Es wird in diesem Zusammenhang auf 1 verwiesen.
Die Druckschrift DE 10 2014 219 550 A1 beschreibt einen Kombinationssensor zur Messung eines Magnetfeldes, der eine sensitive Komponente mit Diamantstrukturen, die Stickstoff-Fehlstellen aufweisen, umfasst. Die sensitive Komponente kann mit Strahlung im sichtbaren Bereich angeregt werden.
Die bei solchen Anordnungen verwendeten Quantentechnologien haben gegenüber klassischen Sensorprinzipien entscheidende Vorteile, die das disruptive Potential der Quantentechnologie unterstreichen. Bei den Stickstoff-Fehlstellen bestehen konkret folgende Vorteile:

- ultrahohe Empfindlichkeiten (1 pT/√Hz),
- Vektormagnetometrie, d. h. eine Richtungsbestimmung des Magnetfeldes ist möglich,
- hoher Messbereich (> 1 Tesla),
- Linearität (Zeemaneffekt),
- keine Degradation, da die Messung auf quantenmechanischen Zuständen beruht, ähnlich wie beim Wasserstoffatom, bei dem die Rydbergkonstante eine fixe Energie ist, die für alle Atome eine ortsunabhängige und zeitunabhängige Konstante ist,
- es ist möglich, externe Magnetfelder vektoriell anhand der im Diamant vorhandenen vier möglichen Raumrichtungen der NV-Achse zu bestimmen.

Um einen auf NV-Zentren basierten Sensor auszulesen, wird die magnetische Resonanz des Triplets des Grundzustands optisch detektiert, siehe ³A Zustand in 1 (ODMR, optically detected magnetic resonance). Dazu muss das NV-Zentrum mit grünem Licht angeregt werden. Es wird hierzu auf 2 verwiesen. Das rotverschobene Fluoreszenzlicht, siehe 2, zeigt bei zusätzlicher Einstrahlung eines elektromagnetischen Wechselfeldes (Mikrowelle) dabei einen charakteristischen Dip bei der energetischen Lage der Elektronenspinresonanz, siehe hierzu 3. Die Lage ist aufgrund des Zeemaneffekts, siehe 4, linear abhängig vom magnetischen Feld, siehe 3. Damit lässt sich ein hochempfindlicher Magnetfeldsensor konstruieren.
Offenbarung der Erfindung
Vor dem obigen Hintergrund werden eine Sensoreinheit nach Anspruch 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgestellt.
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zum Erfassen eines Magnetfeldes mit einem Sensorkopf. Bei der Sensoreinheit handelt es sich insbesondere um ein Magnetometer.
Dabei umfasst der Sensorkopf eine Lichtquelle zum Erzeugen von Licht, einen hochsensitiven Diamanten mit mindestens einem negativ geladenen NV-Zentrum, das eine fluoreszierende Wirkung hat und somit Fluoreszenz emittiert. Eine fluoreszierende Wirkung bedeutet, dass das NV-Zentrum auf eine Anregung eine Fluoreszenz emittiert. Fluoreszenz ist die spontane Emission von Licht kurz nach der Erregung eines Materials durch Elektronenübergang. Dabei ist das emittierte Licht regelmäßig energieärmer als das zuvor absorbierte Licht (Rotverschiebung). Das aufgrund von Fluoreszenz emittierte Licht ist somit in der Regel energieärmer als das Licht, das zur Anregung verwendet wird.
Ferner umfasst der Sensorkopf eine optische Faser und einen optischen Faserkoppler, um das Licht der Lichtquelle in die optische Faser zu koppeln. Dabei handelt es sich insbesondere um eine Single-Mode-Faser. Insgesamt umfasst der Sensorkopf daher einen faserbasierten optischen Anregungspfad. Ferner umfasst der Sensorkopf eine Optik an der die Faser angeklebt ist. Es ist ein Optik-Faser-Verbund hergestellt.
Dabei kann es sich bei der Optik um eine Gradientbrechungsindexlinse (GRIN-Linse) handeln, sodass ein GRIN-Faser-Verbund entsteht. Ferner könnte auch eine andere Optik wie eine klassische Linse, Mikrolinsen oder holographische Linsen eingesetzt sein.
Der Diamant weist vorzugsweise mehrere NV-Zentren auf. Vorteilhafterweise ist der Diamant mit 0,01 bis 10 ppm, am meisten bevorzugt mit 0,1 bis 1 ppm, NV-Zentren dotiert. Der Diamant weist insbesondere einen hohen dynamischen Messbereich, in Ausgestaltung bis zu 1 T, auf.
Insbesondere ist die Optik wiederum an den Diamanten geklebt. Insbesondere wird die Faser mit Hilfe eines optischen Klebers mit der Optik verklebt. Insbesondere wird zumindest ein Abschnitt einer Oberfläche der Optik mit zumindest einem Abschnitt einer ersten Oberfläche des Diamanten verklebt. Die erste Oberfläche befindet sich vor allem auf einer ersten Seite des Diamanten.
Insbesondere kann die Optik mit Hilfe einer transparenten Klebeschicht,), an den Diamanten geklebt sein. Dabei kann der Abschnitt der Oberfläche der Optik mittels des Klebers direkt an den Abschnitt der ersten Oberfläche des Diamanten geklebt sein.
Ferner bevorzugt weist der Sensorkopf ein Photodioden (PD) System auf, insbesondere ein balanciertes Photodioden-System, das zwei vorzugsweise optisch unterschiedlich beschichtete Photodioden umfasst. Insbesondere besteht es aus zwei unterschiedlich beschichteten Photodioden. Diese sind ferner vorzugsweise lokal separiert. Dabei ist das PD-System insbesondere an einer zweiten Seite des Diamanten angeordnet, wobei sich die erste Seite von der zweiten Seite unterscheidet. An der zweiten Seite befindet sich eine zweite Oberfläche des Diamanten, wobei die emittierte Fluoreszenz insbesondere aus zumindest einem Abschnitt der zweiten Oberfläche ausgekoppelt wird, in anderen Worten den Diamanten verlässt. Die erste und die zweite Oberfläche können nebeneinander liegen, sind jedoch bevorzugt gegenüberliegend angeordnet. Statt einer unterschiedlichen Beschichtung kann die Funktion der spektralen Filterung auch durch diskrete Filter realisiert werden, die vor die jeweiligen Photodioden angeordnet sind.
Die Lichtquelle emittiert insbesondere Licht, das im Folgenden als Anregungslicht bezeichnet wird. Es handelt sich vor allem um grünes Licht, vor allem Licht mit einer Wellenlänge von etwa 510-540 nm, während die emittierte Fluoreszenz eine Wellenlänge zwischen 650 nm und 800 nm aufweist.
Die Fotodioden befinden sich insbesondere auf einer Leiterplatte auf der zweiten Seite des Diamanten. Insbesondere sind die Dioden mit unterschiedlichen optischen Filterschichten versehen. Dabei sind die Beschichtungen derart ausgebildet, dass eine erste Fotodiode die emittierte Fluoreszenz detektiert, jedoch das Anregungslicht blockiert. Im Gegensatz dazu kann die zweite Photodiode mit einer Filterschicht versehen sein, die die emittierte Fluoreszenz blockt, jedoch lässt sie das Anregungslicht passieren lässt. Vorteilhafterweise ist die zweite Photodiode mit einem Shortpass und die erste Diode mit einem Longpass beschichtet.
Die Sensoreinheit weist ferner eine Schaltung auf, mit deren Hilfe aus den gemessenen Signalen der beiden Photodioden ein balanciertes Messsignal erzeugt wird. Dieses Messsignal berücksichtigt bereits Schwankungen des Anregungslichtes. Es kann sich vorzugsweise um einen Dividerer, der die Messsignale dividiert und somit ein Verhältnis der Messsignale erhält. Am meisten bevorzugt wird eine logarithmische Schaltung, bspw. ein logarithmischer Differenzenverstärker, eingesetzt.. Dieser ist dazu ausgebildet, das logarithmische Verhältnis der Messsignale der Photodioden zu bilden.
Bei den Messsignalen der Photodioden handelt es sich vorzugsweise um Photoströme.
Eine logaritmische Schaltung hat den besonderen Votteil, dass eine Balancierung auch dann erreicht wird, wenn sich die Messsignale beispielsweise um mehr als eine Größenordnung unterscheiden. Ein linearer Differenzverstärker würde in einem solchen Fall sättigen. Insbesondere ist das balancierte Messsignal ein Spannungssignal.
Zwischen der Optik und dem Diamanten kann eine optische Filterschicht angeordnet sein, um die emittierte Fluoreszenz an der entsprechenden Seitenfläche des Diamanten zurück zu reflektieren und somit nicht ungehindert aus dem Diamanten an der entsprechenden Seite austreten zu lassen. Somit wird die emittierte Fluoreszenz in Richtung der zweiten Seite des Diamanten und somit in Richtung des PD-Systems zurückreflektiert. Bei der optischen Filterschicht handelt es sich insbesondere um einen Distributed Bragg Reflektor.
Ferner kann die Sensoreinheit einen Field Programmable Gate Array umfassen, der das balancierte Messsignal weiter verarbeitet. Insbesondere wird das Signal demoduliert, ofür die Sensoreinheit vor allem einen Analog-zu-Digital-Converter, umfasst. Dann kann die Sensoreinheit ferner einen Tiefpassfilter umfassen, durch den das demodulierte Signal läuft.
Ferner umfasst die Sensoreinheit eine Helmholtzspulenpaar-Anordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Dabei handelt es sich insbesondere um ein Offset-Magnetfeld. Insbesondere ist der Sensorkopf, bis auf die Lichtquelle, in die Helmholtzspulenpaar-Anordnung, in anderen Worten zwischen die beiden Helmholtzspulen eingesetzt. Die Lichtquelle sowie die Quelle für das frequenzmodulierte Mikrowellensignal kann peripher angeordnet sein. In anderen Worten kann die Lichtquelle in einem gewissen Abstand zum Diamanten angeordnet sein.
Ferner umfasst die Sensoreinheit eine Mikrowellenquelle zum Erzeugen von Mikrowellen sowie eine Mikrowellen-Resonatorstruktur, um die erzeugten Mikrowellen über das Volumen des Diamanten homogen und energetisch effizient zu verteilen und zusätzlich auf die Frequenzen der Elektronspinresonanzen getunt ist. Die Mikrowellen-Resonatorstruktur ist insbesondere Teil des Sensorkopfes. Die Mikrowellen-Resonatorstruktur ist vor allem ein sogenannter Split-Ring-Resonator.
Die Mikrowellen sind notwendig zur Spin-Manipulation des mindestens einen NV-Zentrums. In anderen Worten wird mit Hilfe der Mikrowellen Spin-Übergänge induziert, sodass mindestens eine NV-Zentrum Fluoreszenz emittiert, das einen charakteristischen Dip aufweist, wenn die Mikrowellenfrequenz der Übergangsenerige des NV-Zentrums entspricht. Insbesondere werden die Mikrowellen dem Diamanten mittels eines hochfrequenztauglichen Steckers, zugeleitet.
Ferner kann die Mikrowellen-Resonatorstruktur dazu ausgebildet sein, hinsichtlich der Resonanzfrequenz abgeglichen zu werden. Dabei kann die Sensoreinheit, vor allem der Sensorkopf, insbesondere ein Verstimmungsplättchen zum Frequenztunen des Mikrowellen-Resonators umfassen. Dabei kann es sich bei dem Verstimmungsplättchen um ein kleines Plättchen, auf dem eine dünne Kupferschicht aufgebracht ist, handeln. Es kann somit die Resonanzfrequenz des Resonators verstimmt werden. Ferner kann die Resonanzfrequenz elektrisch, bspw. durch Kapazitätsdioden abgeglichen werden.
Insbesondere umfasst die Mikrowellenquelle einen lokalen Oszillator, insbesondere eine Mikrowellenquelle im Gigahertzbereich, und einen Synthesizer, vor allem im Megahertzbereich und kleiner. Insbesondere wird dadurch das gleichzeitige Einstrahlen von drei Frequenzen im Basisband, die den Hyperfine-Resonanzen einer NV-Orientierung entsprchen, erreicht.
Ferner umfasst die Sensoreinheit bevorzugterweise einen Modulationsgenerator, um den Output des Synthesizers zu modulieren und das balancierte Messignal mit der eingesetzten Modulationsfrequenz zu demodulieren. Dabei werden insbesondere Modulationsfrequenzen im Bereich von 10 Hz bis 100 kHz, vorzugsweise 30 kHz, , eingesetzt.
Als Modulationstiefe werden insbesondere Modulationsfrequenzen im Bereich von 10 bis 1.000 kHz, eingesetzt, vorzugsweise 10 bis 150 kHz. Am meisten bevorzugt 10 bsi 100 kHz. Insbesondere wird als Modulationstiefe die Frequenz verwendet, die der Linienbreite des ODMR-Signals (Optical Detection of Magnetic Resonance) des mindestens einen NV-Zentrums entspricht. Vorzugsweise beträgt die Modulationstiefe ca. 70%- 100 % der Lininenbreite. Je nach Diamantqualität ist die Linenbreite etwa 100 kHz, für hochreine Diamanten auch 10 kHz.
Die Sensoreinheit umfasst ferner einen Digital-zu-Analog-Converter, durch den der Output des Synthesizers läuft. Ferner umfasst die Sensoreinheit einen Mischer, mit dem der Output des Synthesizers, nachdem er durch den Digital-zu-Analog-Converter gelaufen ist, und die erzeugten Mikrowellen der Mikrowellenquelle gemischt werden. Ferner kann die Sensoreinheit mindestens einen Verstärker umfassen, mit dem das gemischte Signal in der Amplitude erhöht wird, bevor es dann auf die Mikrowellen-Resonatorstruktur transferiert wird. Die transferierten Mikrowellen weisen insbesondere einen Frequenzbereich von ca. 2,87 GHz +/- 30 MHz auf.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes mit einer oben beschriebenen Sensoreinheit, wobei mittels des Verfahrens insbesondere eine Richtung des Magnetfeldes erfasst wird. Dabei weist das mindestens eine NV-Zentrum eine von vier möglichen Raumrichtungen auf, eine sogenannte NV-Orientierung, wobei es auf Basis dieser möglich ist, die Richtung des externen Magnetfeldes zu bestimmen, in anderen Worten das externe Magnetfeld vektoriell zu bestimmen.
Insbesondere benutzt die vorliegende Sensoreinheit den Zeeman-Effekt, und zwar die Aufspaltung von Spektrallinien durch das erzeugte Magnetfeld. Die Aufspaltung entsteht durch die unterschiedliche Verschiebung von Energieniveaus einzelner Zustände unter dem Einfluss des externern Magnetfeldes.
Durch den oben genannten Aufbau der Sensoreinheit, insbesondere des Sensorkopfes, lassen sich folgende Vorteile erreichen:

• Es wird eine homogene optische Anregung im Diamanten durch den Optik-Faser-Verbund erreicht. Dies ist relevant, falls mehr als ein einen NV-Zentrum angeregt wird.
• Ein besonderer Vorteil gegenüber anderen aus dem Stand der Technik bekannten Sensoreinheiten besteht darin, dass durch die direkte Anordnung des PD-Systems am Diamanten eine deutlich höhere Einsammlungseffizienz der emittieren Fluoreszenz erreicht wird.
• Der Einfluss von Fluktuationen im Anregungslicht auf die emittierte Fluoreszenz des mindestens einen NV-Zentrums wird mit Hilfe des balancierten PD-Systems reduziert.
• Es wird ein kompakter und portabler Sensoraufbau erreicht. Die Kompaktheit des Aufbaus wirkt sich positiv auf das Rauschen und damit die Empfindlichkeit aus. Da die optoelektronischen Komponenten auf kleinem Raum fest miteinander verbunden (teilweise verklebt) sind, ist die Anfälligkeit gegenüber Vibrationen reduziert.
• Der Mikrowellen-Resonatorstruktur sorgt für eine energieeffiziente Kopplung der Mikrowellen an den Diamanten beziehungsweise an das mindestens eine NV-Zentrum. Im Vergleich zu einem beispielsweise einfachen Streifenleiter beziehungsweise einer Leiterbahn ist die Mikrowellen-Resonatorstruktur etwa um einen Faktor 100 effizienter, sodass der Leistungsbedarf unterhalb von 100 mW liegt.
• Die periphere Lichtquelle sorgt dafür, dass die Abwärme in der Lichtquelle bleibt. Diese sorgt zusammen mit der effizienten Mikrowellen-Resonatorstruktur, die wie oben beschrieben im Mittel deutlich weniger Leistung benötigt, dafür, dass die Erwärmung des Sensorkopfes, insbesondere des Diamanten, reduziert wird. Damit werden Temperatureinflüsse auf das Messsignal beziehungsweise die Messgröße (Magnetfeld) reduziert. Ferner werden auch magnetische Störungen, die insbesondere durch den Laserdiodenstrom verursacht werden, aufgrund der räumlichen Distanz zwischen Sensorkopf und Lichtquelle reduziert.

Figurenliste
Es zeigen in rein schematischer Darstellung:

1: Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in einem Diamanten;
2: ein Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums;
3: eine optisch detektierte magnetische Resonanz eines einzelnen NV-Zentrums;
4: den Zeeman-Effekt innerhalb des Energiediagramms des negativ geladenen NV-Zentrums;
5: eine gepulste Anregung; und
6: den Aufbau einer Sensoreinheit.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt auf der linken Seite ein Kristallgitter, in diesem Fall einen Diamanten, wobei das Kristallgitter insgesamt mit Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Das Kristallgitter 10 umfasst eine Anzahl von Kohlenstoffatomen 12 und ein NV-Zentrum 14, das wiederum ein Stickstoff-Atom 16 und eine Fehlstelle bzw. Vakanz 18 aufweist. Die Stickstoff-Fehlstelle 18 ist entlang einer der vier möglichen Bindungsrichtungen im Diamant-Kristall ausgerichtet.
Auf der rechten Seite ist das Energieniveauschema 30 des negativ geladenen NV-Zentrums 14 dargestellt. Ein Grundzustand ³A₂ 32 ist ein Spin-Triplet mit Gesamtspin s = 1. Die Zustände 34 mit magnetischer Spinquantenzahl m_S = +- 1 sind gegenüber dem Zustand 36 mit m_S = 0 energetisch verschoben. Es sind weiterhin ein Zustand ³E 38 und ein Zwischenzustand 40 dargestellt. Mit Klammer 42 ist eine Mikrowellenfrequenz von 2,87 GHz verdeutlicht, die einer Aufspaltungsenergie bzw. Zero-Field Splitting Dgs entspricht. Das Zero-Field Splitting ist eine intrinsosche Größe, die unabhängig vom eingestrahlten MW-Feld bzw. der MW-Frequenz ist. Sie beträgt ungefähr 2,87 GHz und ist insbesondere temperaturabhängig. Für die Bestimmung der Resonanzfrequenz gilt folgende Beziehung: $v \pm \approx Dgs + β * Δ T \pm y_{NV} * B_{0};$
wobei ΔT die Abweichung von der Raumtemperatur, β die temperaturbedingte Verschiebung des Zero-Field Splittings mit β ungefähr -74,2 Kilohertz/Kelvin, y_NV das gyromagnetische Verhältnis des NV-Zentrums und B₀ die Feldstärke eines externen Magnetfelds angibt.
2 zeigt in einem Graphen 50 das Absorptions- und Emissionsspektrum des NV-Zentrums, das in 1 dargestellt ist. Im Graphen 50 ist an einer Abszisse 52 die Wellenlänge [nm] und an einer ersten Abszisse 54 der Absorptionskoeffizient [cm^-1] und an einer zweiten Abszisse 56 die Fluoreszenz aufgetragen. Eine erste Kurve 60 zeigt das Absorptionsspektrum, eine zweite Kurve 62 zeigt das Emissionsspektrum. Ein erster Pfeil 70 bezeichnet NV⁰ ZPL, ein zweiter Pfeil 72 bezeichnet NV- Absorption, ein dritter Pfeil 74 bezeichnet NV-Fluoreszenz. Weiterhin ist NV- ZPL 76 bei 637 nm eingetragen.
3 zeigt in einem Graphen 100 die optisch detektierbare magnetische Resonanz (ODMR) eines einzelnen NV-Zentrums für verschiedene Hintergrundmagnetfelder. In dem Graphen 100 ist an einer Abszisse 102 die Mikrowellenfrequenz, an einer ersten Ordinate 104 das Magnetfeld B und an einer zweiten Ordinate 106 die Fluoreszenz aufgetragen.
Eine erste Kurve 110 zeigt die Resonanz für B = 0, eine zweite Kurve 112 zeigt die Resonanz bei B = 2,8 mT mit den negativen Peaks ω₁ 114 und ω₂ 116, eine dritte Kurve 120 die Resonanz für B = 5,8 mT und eine vierte Kurve 122 die Resonanz für 8,3 mT.
4 zeigt den Zeemaneffekt im Grundzustand 150 des NV-Zentrums. Weiterhin sind der angeregte Zustand 152 und der Zwischenzustand 154 eingetragen. Ein erster Pfeil 160 zeigt einen Übergang mit hoher Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate, ein gestrichelter Pfeil 162 zeigt einen Übergang mit geringer Wahrscheinlichkeit bzw. Übergangsrate. In einem Kasten 170 sind ein Übergang 172 ohne magnetisches Feld und ein Übergang 174 mit magnetischem Feld wiedergegeben.
5 zeigt die gepulste Anregung anhand ihres zeitlichen Verlaufs, der an einer Zeitachse 250 aufgetragen ist. Dabei ist oben 252 die Laseranregung und unten 254 die Mikrowellenanregung gezeigt. Zu beachten ist, dass die Abfolge von einem Laserpuls und einem Mikrowellenpuls periodisch wiederholt werden. Der Laserpuls dient zum Initialisieren des Elektronenspins der NV-Fehlstellen (zweiter Anteil des Pulses 260) und zum Auslesen des Elektronenspins nach der Manipulation (erster Anteil des Laserpulses 262). Der Mikrowellenpuls 270 dient zur Manipulation des Elektronenspins, in Abhängigkeit von dem magnetischen Feld, worauf das Messprinzip beruht.
6 zeigt in schematischer Darstellung den Aufbau einer Sensoreinheit 400 eines Sensorkopfes 300. Das Licht einer Lichtquelle wird über einen optischen Faserkoppler in eine optische Faser 301 gekoppelt. Die Faser 301 ist mit Hilfe eines optischen Klebers mit der Optik 303 verklebt.
Dieser Optik-Faser-Verbund ist dann mit Hilfe einer transparenten Klebeschicht an den Diamanten 304 geklebt. Der Diamant 304 weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf. Der Optik-Faser-Verbund kann direkt an zumindest einem Abschnitt der Oberfläche des Diamanten 304 an der ersten Seite geklebt sein. Möglich ist hier auch, dass zwischen den entsprechenden Abschnitten der Oberflächen der Optik 303 und des Diamanten 304 eine optische Filterschicht eingesetzt wird, damit die emittierte Fluoreszenz des mindestens einen NV-Zentrums des Diamanten von der entsprechenden Oberfläche nicht ungehindert aus dem Diamanten 304 treten kann, sondern wieder in Richtung der zweiten Seite zurückreflektiert wird.
Ferner kann der Sensorkopf 300 eine Faserhalterung aufweisen, die insbesondere zur Stabilisierung des vorbeschriebenen Systems dient. Ferner weist der Sensorkopf 300 eine Mikrowellen-Resonatorstruktur 306 auf, um die erzeugten Mikrowellen über das Volumen des Diamanten 304 homogen zu verteilen.. Die Resonantorstruktur 306 ist auf die Frequenz der Elektronspinresonanzen getunt.
Auf der zweiten Seite des Diamanten 304 ist ein Photodioden-System 308 umfassend eine erste Photodiode 309 und eine zweite Photodiode 310 angeordnet. Dabei ist die Beschichtung 309a der Photodioden derart, dass die erste Photodiode 309 die emittierte Fluoreszenz detektiert, jedoch das Anregungslicht blockiert, während die Beschichtung 310a der zweiten Photodiode 310 die von dem mindestens einen NV-Zentrum emittierte Fluoreszenz blockiert und nur das Anregungslicht passieren lässt.
Der Sensorkopf 300 ist in eine Helmholtzspulenpaar-Anordnung 401 eingesetzt. Die Sensoreinheit 400 umfasst die Lichtquelle 402, insbesondere einen Laser, der Licht zwischen 510 und 540 nm emittiert, wobei das Licht in die Faser 301 gekoppelt wird. Die Lichtquelle 402 ist peripher angeordnet.
Die Erzeugung der Mikrowellen basiert auf einer Mikrowellenquelle, die einen lokalen Oszillator 404, einen Synthesizer 405 und einen Modulationsgenerator umfasst. Der Output des Synthesizers 405 wird mittels eines Verstärkers in der Amplitude verstärkt und mit Hilfe des Modulationsgenerators moduliert. Die Mikrowellen vom lokalen Oszillator 404 und Synthesizer 405 werden wiederum mit Hilfe eines Hochfrequenz-Mischers 407 zusammengeführt und mit einem Verstärker 408 in der Amplitude erhöht, bevor diese in die Mikrowellen-Resonatorstruktur 306 des Sensorkopfes 300 transferiert werden. Ferner ist ein Field Programming Gate Array (FPGA) 407 vorgesehen. Der FPGA 407 dient auch dazu das balancierte Messsignal der beiden Photodioden weiterzuverarbeiten, nachdem dieses einen Differenzenverstärker 311 und einen Verstärker 408 passiert hat und das Signal entsprechend zu demodulieren. Als Ergebnis wird das Messsignal 312 erhalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014219550 A1 [0009]

Claims

Sensoreinheit (400) zum Erfassen eines Magnetfeldes mit einem Sensorkopf (300), dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (300) umfasst: - eine Lichtquelle (402) zum Erzeugen von Licht, - einen hochsensitiven Diamanten (304) mit mindestens einem negativ geladenen NV-Zentrum, das eine fluoreszierende Wirkung hat und somit Fluoreszenz emittiert, - eine optische Faser (301) und einen optischen Faserkoppler, um das Licht der Lichtquelle (402) in die optische Faser (301) zu koppeln, - und eine Optik (303), an der die Faser (301) angeklebt ist.
Sensoreinheit (400) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (303) an den Diamanten (304) geklebt ist.
Sensoreinheit (400) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (300) ein Photodioden (PD)-System (308) umfassend zwei Photodioden umfasst, die vorzugsweise optisch unterschiedlich beschichtet sind, wobei die Sensoreinheit (400) ferner eine Schaltung aufweist, um aus den gemessenen Signalen der beiden Photodioden ein balanciertes Messsignal zu erzeugen.
Sensoreinheit (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Optik (303) und dem Diamanten (304) eine optische Filterschicht angeordnet ist, um die emittierte Fluoreszenz an der entsprechenden Oberfläche des Diamanten (304) zurück zu reflektieren.
Sensoreinheit (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (400) eine Helmholtzspulenpaar-Anordnung (401) zur Erzeugung eines Magnetfeldes umfasst, wobei der Sensorkopf (300) zwischen den Hemholtzspulen angeordnet ist.
Sensoreinheit (400) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (400) eine Mikrowellenquelle zum Erzeugen von Mikrowellen und eine Mikrowellen-Resonatorstruktur (306) aufweist, wobei die Mikrowellen-Resonatorstruktur (306) dazu dient, die erzeugten Mikrowellen über das Volumen des Diamanten (304) homogen und energetisch effizient zu verteilen und zusätzlich auf die Frequenzen der Elektronspinresonanzen getunt ist.
Sensoreinheit (400) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellen-Resonatorstruktur (306) dazu ausgebildet ist hinsichtlich der Freqzenz abgeglichen zu werden.
Sensoreinheit (400) nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle einen lokalen Oszillator (404) und einen Synthesizer (405) umfasst, wobei die Sensoreinheit (400) ferner einen Modulationsgenerator (406) aufweist, um den Output des Synthesizers (405) zu modulieren und das balancierte Messignal mit der eingesetzten Modulationsfrequenz zu demodulieren.
Verfahren zum Erfassen eines Magnetfeldes mit einer Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem eine Richtung des Magnetfeldes erfasst wird.