DE112017008194T5

DE112017008194T5 - Quantensensor auf Basis eines mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE112017008194T5
Application number: DE112017008194.7T
Authority: DE
Inventors: Zongquan Zhou; Yu Ma; Tao Tu; Chuanfeng Li; Guangcan Guo
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2017-11-14
Filing date: 2017-11-14
Publication date: 2020-09-17
Also published as: US20200072915A1; WO2019095102A1; US11313925B2

Abstract

Es wird ein Quantensensor basierend auf einem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall bereitgestellt, mit: einem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall; einer Niedertemperaturversorgungseinheit, die dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall eine Niedertemperaturbetriebsumgebung liefert; einer Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, die ein konstantes Magnetfeld an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall anlegt; eine Lichtfelderzeugungseinheit, die ein Lichtfeld bereitstellt, das ein optisches Pumpen auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall durchführt, um die Seltenerd-Ionen in einem anfänglichen Spin-Zustand zu präparieren, und einem Lichtfeld zum Anregen der Raman-Streuung des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls; einer gepulsten Magnetfelderzeugungseinheit, die ein gepulstes Magnetfeld senkrecht zum konstanten Magnetfeld an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall anlegt, um den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall dazu zu bringen, ein Spin-Echo zu erzeugen; und einer heterodynen Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit, die ein Raman-Streulichtfeld nachweist und analysiert, das von dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall abgestrahlt wird. Weiterhin vorgesehen sind die Verwendung dieses Quantensensors zum Erfassen von Magnetfeldern und zum Erfassen von elektrischen Feldern sowie ein Erfassungsverfahren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung betrifft das Gebiet der Quantensensoren, insbesondere einen Quantensensor, der auf einem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall basiert, und dessen Verwendung.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Die Messung von Magnetfeldern hat eine lange Entwicklungsgeschichte. Der Mensch hat das Erdmagnetfeld mit einem Kompass detektiert, um bereits im 3. Jahrhundert v. Chr. eine Orientierung zu erhalten. In der modernen Gesellschaft hat das Magnetfeld breitere Anwendungen, von denen typische Beispiele Magnetschwebebahnen, Magnetspeicher, medizinische Magnetresonanztomographie, magnetisch begrenzte Kernfusionsgeräte und dergleichen sind. Dementsprechend hat der Mensch verschiedene neuartige, präzise Magnetfeldmesstechniken entwickelt, von denen typische Beispiele supraleitende Magnetflussinterferometersensoren, Halleffektsensoren, magnetische Widerstandssensoren, Magnetresonanzsensoren und dergleichen sind. Diese präzisen Magnetfeldmesstechniken werden in verschiedenen Bereichen, wie Information, Technik, Medizin, Physik, Weltraumforschung und dergleichen, eingesetzt.
In den letzten Jahren wurde neben der Entwicklung der Quanteninformationstechnologie eine neue Magnetfeldmesstechnik auf Basis der Quanteninterferenz entwickelt. Im Allgemeinen ist die Kohärenz eines Quantensystems relativ schwach und extrem anfällig dafür, durch Umweltschwankungen gestört zu werden. Daher haben Magnetfeldsensoren auf Basis von Quanteninterferenz eine deutlich verbesserte Empfindlichkeit im Vergleich zu herkömmlichen Hallsonden-Sensoren und dergleichen.
Ein typischer Vertreter von Quanteninterferenzmagnetfeldsensoren ist ein Magnetometer, das auf Stickstoff-Vakanz (NV) Zentren im Diamanten basiert. Das Grundprinzip dieser Art von Sensor ist die Nutzung des Phänomens der Spin-Echos, wobei die durch ein externes Magnetfeld verursachte Phasenentwicklung im Verfahren der Spin-Entwicklung erfasst wird. Derzeit kann die Erfassung von Magnetfeldern auf Basis von NV-Zentren eine Empfindlichkeit von nT oder eine höhere Empfindlichkeit erreichen, die Magnetresonanzbildgebung im mikroskopischen Maßstab realisieren und schwache Magnetfelder detektieren, die von einem einzelnen Neuron oder Protein erzeugt werden. Daher hat es breite Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen wie Physik, Chemie, Life Sciences und dergleichen.
Es besteht jedoch nach wie vor Bedarf für einen Quantensensor mit einer höheren Empfindlichkeit und einem breiteren Betriebsfrequenzbereich.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einem Aspekt stellt diese Offenbarung einen Quantensensor bereit, der auf einem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall basiert, wobei der Quantensensor umfasst: einen mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall;
eine Niedertemperaturversorgungseinheit, die eine Niedertemperaturbetriebsumgebung für den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall bereitstellt;
eine Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, die ein konstantes Magnetfeld auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall anlegt;
eine Lichtfelderzeugungseinheit, die ein Lichtfeld zum optischen Pumpen des mit Seltenerd-lonen dotierten optischen Kristalls bereitstellt, um Seltenerd-Ionen in einem anfänglichen Spin-Zustand zu präparieren, und ein Lichtfeld zum Anregen der Raman-Streuung des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls;
eine gepulste Magnetfelderzeugungseinheit, die ein gepulstes Magnetfeld senkrecht zum konstanten Magnetfeld an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall anlegt, um den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall ein Spin-Echo erzeugen zu lassen; und
eine heterodyne Raman-Streulichtfeld-Detektionseinheit, die ein Raman-Streulichtfeld detektiert und analysiert, das von dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall durch ein optisches heterodynes Verfahren angeregt und abgestrahlt wird.
In einer Ausführungsform ist der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall ein Kristall aus Eu:YSO, Nd:YSO, Er:YSO, Pr:YSO oderTm:YSO.
In einer Ausführungsform umfasst die Lichtfelderzeugungseinheit:

eine Laservorrichtung, die eine kontinuierliche Laserstrahlung aussendet; und
einen optischen Modulator, der die von der Laservorrichtung emittierte kontinuierliche Laserstrahlung zu einem modulierten Lichtfeld moduliert.

In einer Ausführungsform ist die Laservorrichtung eine schmalbandige Laservorrichtung. In einer Ausführungsform ist der optische Modulator ein akustooptischer Modulator.
In einer Ausführungsform umfasst die gepulste Magnetfelderzeugungseinheit:

eine Vektor-Mikrowellen-Erzeugungseinheit, die Vektor-Mikrowellenimpulse erzeugt; und
eine Mikrowellenstrahlungsspule, die die Vektor-Mikrowellenimpulse in die gepulsten Magnetfelder umwandelt.

In einer Ausführungsform umfasst die gepulste Magnetfelderzeugungseinheit eine dynamische Entkopplungssequenz-Steuerungsvorrichtung.
In einer Ausführungsform umfasst der Quantensensor weiterhin eine Kristallorientierungseinstellungsvorrichtung.
In einer Ausführungsform umfasst der Quantensensor einen Lichtweg, der es dem Anregungslicht für die Raman-Streuung ermöglicht, den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall zweimal zu passieren.
In noch einem weiteren Aspekt stellt diese Offenbarung die Verwendung des vorstehend genannten Quantensensors zum Erfassen von Magnetfeldern oder zum Erfassen von elektrischen Feldern bereit.
In noch einem weiteren Aspekt stellt diese Offenbarung ein Verfahren zur Durchführung des Erfassens von elektrischen Feldern unter Verwendung des vorstehend erwähnten Quantensensors bereit, umfassend:

Anlegen eines konstanten Magnetfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes,
Anwenden einer Temperatur von 1K bis 15K auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Niedertemperaturversorgungseinheit,
Anlegen eines Pumplichtfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Lichtfelderzeugungseinheit, um Seltenerd-Ionen in einem anfänglichen Spin-Zustand zu präparieren,
Platzieren des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls in einem zu messenden elektrischen Feld,
Erzeugen eines Spin-Echos der Seltenerd-Ionen unter Verwendung der gepulsten Magnetfelderzeugungseinheit,
Anlegen eines Lichtfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Lichtfelderzeugungseinheit, so dass die Raman-Streuung des mit Seltenerd-lonen dotierten optischen Kristalls angeregt wird, und
Detektieren und Analysieren eines Raman-Streulichtfeldes, das von dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall abgestrahlt wird, unter Verwendung der heterodynen Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit und Berechnen des zu messenden elektrischen Feldes.

In einer Ausführungsform beträgt der Richtungsfehler zwischen dem konstanten Magnetfeld und einem Null-Zeeman-Effekt-erster-Ordnung-Punkt 0,001 Grad oder weniger und der Intensitätsfehler 0,005 % oder weniger.
In noch einem weiteren Aspekt stellt diese Offenbarung ein Verfahren zur Durchführung des Erfassens von Magnetfeldern unter Verwendung des vorstehend erwähnten Quantensensors bereit, umfassend:

Anlegen eines konstanten Magnetfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes,
Anwenden einer Temperatur von 1K bis 15K auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Niedertemperaturversorgungseinheit,
Anlegen eines Pumplichtfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Lichtfelderzeugungseinheit, um Seltenerd-Ionen in einem Anfangszustand zu präparieren,
Platzieren des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls in einem zu messenden Magnetfeld,
Erzeugen eines Spin-Echos der Seltenerd-Ionen unter Verwendung der gepulsten Magnetfelderzeugungseinheit,
Anlegen eines Lichtfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Lichtfelderzeugungseinheit, so dass die Raman-Streuung des mit Seltenerd-lonen dotierten optischen Kristalls angeregt wird, und
Detektieren und Analysieren eines Raman-Streulichtfeldes, das von dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall abgestrahlt wird, unter Verwendung der heterodynen Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit und Berechnen des zu messenden Magnetfeldes.

In einer Ausführungsform weicht die Intensität des konstanten Magnetfeldes von einem Null-Zeeman-Effekt-erster-Ordnung-Punkt um 0,1 % bis 5 % ab.
Figurenliste
Um die technischen Lösungen in Beispielen dieser Offenbarung besser zu veranschaulichen, werden im Folgenden lediglich die zur Beschreibung der Beispiele erforderlichen Figuren vorgestellt. Natürlich sind die nachstehend beschriebenen Figuren nur einige Beispiele für diese Offenbarung und andere Figuren können weiterhin vom Durchschnittsfachmann gemäß diesen Figuren erhalten werden, ohne erfinderische Tätigkeit auszuüben.

1 ist eine schematische Prinzipdarstellung eines Beispiels eines Quantensensors dieser Offenbarung;
2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung in einem Beispiel eines Quantensensors, basierend auf einem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall dieser Offenbarung;
3 ist eine Grafik eines Ergebnisses eines praktisch in einem Beispiel für einen Quantensensor gemessenen Magnetfeldes, basierend auf einem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall dieser Offenbarung; und
4 ist eine Grafik eines Ergebnisses einer dynamischen Entkopplungssequenz, die die Frequenzauflösung der Magnetfeldmessung verbessert, in einem Beispiel für diese Offenbarung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die technischen Lösungen in den Beispielen dieser Offenbarung werden im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen in den Beispielen dieser Offenbarung klar und vollständig beschrieben. Natürlich sind die beschriebenen Beispiele nur ein Teil der Beispiele für diese Offenbarung und nicht alle Beispiele. Basierend auf den Beispielen dieser Offenbarung gehören alle anderen Beispiele, die durch den Durchschnittsfachmann ohne erfinderische Tätigkeit erhalten wurden, zu dem durch diese Offenbarung geschützten Bereich.
Gemäß dem Grundkonzept dieser Offenbarung wird ein Quantensensor bereitgestellt, der auf einem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall basiert, umfassend:

einen mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall;
eine Niedertemperaturversorgungseinheit, die dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall eine Niedertemperaturbetriebsumgebung bereitstellt;
eine Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, die ein konstantes Magnetfeld auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall anlegt;
eine Lichtfelderzeugungseinheit, die ein Lichtfeld zum optischen Pumpen des mit Seltenerd-lonen dotierten optischen Kristalls bereitstellt, um Seltenerd-Ionen in einem anfänglichen Spin-Zustand zu präparieren, und ein Lichtfeld zum Anregen der Raman-Streuung des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls;
eine gepulste Magnetfelderzeugungseinheit, die ein gepulstes Magnetfeld senkrecht zum konstanten Magnetfeld an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall anlegt, um den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall ein Spin-Echo erzeugen zu lassen; und
eine heterodyne Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit, die ein Raman-Streulichtfeld detektiert und analysiert, das von dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall durch ein optisches heterodynes Verfahren angeregt und abgestrahlt wird. Mit den vorstehend beschriebenen Einstellungen wird ein Quantensensor aufgebaut. Dieser Quantensensor kann die Messung eines Magnetfeldes, eines elektrischen Feldes und dergleichen mit einer hohen Empfindlichkeit erreichen, indem er einen mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall als Sonde verwendet, einen anfänglichen Spin-Zustand von Seltenerd-Ionen durch einen optischen Pumpeffekt erhält, ein Spin-Echo durch Magnetresonanz erzeugt, ein Ramanspektrum durch Verwendung eines Anregungslichts anregt und eine Analyse in einer lesenden Weise der optischen heterodynen Raman-Detektion durchführt. Es kann zum Erfassen von Magnetfeldern, Erfassen von elektrischen Feldern, Erfassen von Druck und dergleichen verwendet werden.

Parameter von Elementen in dieser Vorrichtung werden durch Veranschaulichung spezieller numerischer Werte in Ausführungsformen dieser Offenbarung eingeführt. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Zahlenwerte der Parameter der hier veranschaulichten Elemente nur dazu dienen, diese Offenbarung zu verstehen, und nicht dazu, Beschränkungen festzulegen. In der Praxis können die Anwender je nach Anforderung oder Erfahrung Elemente mit unterschiedlichen Parametern einsetzen.
1 ist eine schematische Prinzipdarstellung einer Ausführungsform eines Quantensensors dieser Offenbarung.
Der Quantensensor dieser Offenbarung umfasst einen mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall 1. Im Betrieb wird der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall 1 in einer Niedertemperaturumgebung bereitgestellt, die von einer Niedertemperaturversorgungseinheit 2 bereitgestellt wird, und in einem konstanten Magnetfeld Mkonstant, das von einer Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes 3 erzeugt wird. Die Form und die Position der Niedertemperaturversorgungseinheit 2 hierin sind nur schematisch, sofern dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall 1 im praktischen Einsatz eine gewünschte Niedertemperatur zugeführt werden kann. Die Niedertemperaturversorgungseinheit kann eine Niedertemperaturkammer sein. Zusätzlich können die Niedertemperaturversorgungseinheit und die Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes in eine Niedertemperatur-Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes integriert werden. Im konstanten Magnetfeld M_konstant spaltet sich das Energieniveau des Kernspins von Seltenerd-Ionen im mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall. Zu diesem Zeitpunkt kann durch Anlegen eines gepulsten Magnetfeldes M_gepulst, das mit einer bestimmten Frequenz, Phase und Amplitude, deren Richtung senkrecht zu Mkonstant ist, an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall 1 durch eine gepulste Magnetfelderzeugungseinheit 5 der Kernspin von Seltenerd-Ionen in einem angeregten Spin-Zustand erzeugt werden, wenn die Frequenz des Impulses mit Spin-Übergängen der Ionen resonant ist. Ein Spin-Echo kann durch Einstellen des gepulsten Magnetfeldes M_gepulst erzeugt werden. Wird der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall gestört (z.B. durch Anlegen eines Störmagnetfeldes, eines elektrischen Störfeldes und dergleichen), ändert sich auch die Phase des Spin-Echos entsprechend. Diese Änderung kann durch optische Detektion analysiert werden. Insbesondere wird ein moduliertes Lichtfeld auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall 1 durch eine Lichtfelderzeugungseinheit 4 aufgebracht, und der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall 1 wird in einem anfänglichen Spin-Zustand durch Pumpen hergestellt. Seltenerd-Ionen in einem anfänglichen Spin-Zustand erzeugen ein Spin-Echo, nachdem sie durch ein gepulstes Magnetfeld angeregt wurden. Wenn ein Spin-Echo ausgesendet wird, wird ein einfrequenter Pump-Lichtfeldimpuls angelegt, so dass der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall 1 ein Raman-Streulichtfeld erzeugt, das von einer heterodynen Raman-Streulichtfeld-Detektionseinheit 6 detektiert wird. Das Spin-Echo des Kerns wird durch Demodulationsanalyse basierend auf dem detektierten Raman-Lichtfeld erhalten. Durch den Vergleich mit Daten von ungestörten Sensoren und die Berechnung können beispielsweise Informationen über die Änderung der Störung gewonnen werden, um die Erfassung durchzuführen.
Mit Seltenerd-Ionen dotierter optischer Kristall
Der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall 1 wird in dieser Offenbarung als Sensorsonde eines Quantensensors verwendet. Der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall betrifft einen optischen Kristall, der Seltenerd-Ionen enthält, wobei sich die Seltenerdelemente auf Lanthanidreihen im Periodensystem der chemischen Elemente sowie auf Yttrium (Y) und Scandium (Sc) beziehen. Der optische Kristall kann ein beliebiger Kristall sein, der für das optische Detektionswellenband dieser Offenbarung transparent ist. Die Beispiele dafür können optische Kristalle (YSO, YVO, YAG und dergleichen) beinhalten, die mit verschiedenen Seltenerd-Ionen (Pr, Eu, Nd, Eu, Yb, Er und dergleichen) dotiert sind. Die Erfinder dieser Erfindung haben festgestellt, dass der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall besonders geeignet ist, um als Sonde eines Quantensensors verwendet zu werden. Ohne sich auf eine bestimmte Theorie zu stützen, sind die Erfinder der Ansicht, dass dies mit der langen Kohärenzzeit der Seltenerd-Ionen im mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall zusammenhängt. Die lange Kohärenzzeit ermöglicht es Seltenerd-lonen, unterschiedliche Magnetfelder und elektrische Felder in einem Niederfrequenzbereich zu detektieren, um die Sensorempfindlichkeit zu verbessern und die Betriebsfrequenz und Anwendungen der Sensoren zu erweitern.
In einem spezifischen Sensor kann der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall 1 in einer Kristallorientierungseinstellungsvorrichtung bereitgestellt werden, um sich flexibel an den Winkel des Magnetfeldes oder des Lichtfeldes anzupassen. Durch die Anpassung des Kristallorientierungswinkels an ein bestimmtes Magnetfeld und Lichtfeld kann die Kohärenzzeit von Spin-Zuständen von Seltenerd-Ionen deutlich verlängert werden, wodurch die Sensorempfindlichkeit verbessert wird. Ein spezifisches Operationsverfahren kann die Durchführung eines Spin-Echo-Tests unter verschiedenen Kristallorientierungen zum Erhalten von Informationen über die Kohärenzzeit und die kontinuierliche Anpassung der Kristallorientierung bis zum Erreichen der längsten Kohärenzzeit umfassen.
Die Form und Größe des verwendeten mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls kann je nach Anwendungen variieren. Im Allgemeinen wird ein flockenartiger optischer Kristall verwendet. Die Dicke beträgt vorzugsweise 1 mm oder weniger, um die räumliche Auflösung der Quantenerfassung zu verbessern.
Die Konzentration der Seltenerd-Ionen im Kristall kann jede geeignete Konzentration sein und ist in dieser Offenbarung nicht besonders begrenzt.
Wie schematisch in 1 dargestellt, kann das Anregungslicht von einer Seite des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls einfallen, und das Raman-Streulichtfeld wird auf der anderen Seite detektiert. Es ist jedoch auch möglich, dass das Anregungslicht durch den optischen Kristall hindurchgegangen ist und danach wieder durch den optischen Kristall reflektiert wird, und dann das Raman-Streulichtfeld detektiert wird. Um die Signalintensität des Raman-Lichtfeldes effektiv zu erhöhen und um den Einbau in ein praktisches Gerät zu erleichtern, ist es bevorzugt, dass das Anregungslicht den optischen Kristall mittels Lichtwegdesign zweimal durchläuft.
Mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall-Niedertemperaturversorgungseinheit
Die mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall-Niedertemperaturversorgungseinheit 2 stellt eine Niedertemperaturbetriebsumgebung für den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall bereit. Typischerweise kann es sich um eine Niedertemperaturkammereinheit handeln, in der ein mit Seltenerd-Ionen dotierter optischer Kristall gehalten wird. Die Aufgabe der Bereitstellung von niedrigen Temperaturen ist es, den Einfluss von Störfaktoren wie Gittervibrationen und dergleichen auf die Detektionsergebnisse zu minimieren. Typischerweise kann eine Temperatur in einem Bereich von 1K bis 15K bereitgestellt werden.
Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes
Die Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes 3 legt ein konstantes Magnetfeld auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall an. Das konstante Magnetfeld, das angelegt wird, lässt die Spins der Seltenerd-Ionen darüber laufen und teilt die Energieniveaus. Das angelegte konstante Magnetfeld wird entsprechend den verschiedenen Zwecken der Erfassung ausgewählt.
In 1 zur schematischen Darstellung des Prinzips befindet sich das von der Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes erzeugte konstante Magnetfeld M_konstant in horizontaler Richtung und senkrecht zur Richtung des einfallenden Lichts. Es kann aber auch parallel zur Richtung des einfallenden Lichts, d.h. in vertikaler Richtung, sein. Die Beziehung zwischen der Richtung des konstanten Magnetfeldes und der Richtung des Lichtweges ist in dieser Offenbarung nicht besonders eingeschränkt.
Die Intensität des konstanten Magnetfeldes, das durch die Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes erzeugt wird, kann entsprechend den verschiedenen zu detektierenden Gegenständen eingestellt werden.
Angesichts der Auswirkungen von Rauschen aus dem Erdmagnetfeld und dem Umgebungsfeld ist bei Anwendungen der hochempfindlichen Erfassung von Magnetfeldern in der Größenordnung von pT eine externe magnetische Abschirmung für das gesamte Gerät erforderlich.
Bei dem Verfahren der Erfassung von Magnetfeldern wendet die Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes vorzugsweise ein Magnetfeld nahe dem Null-Zeeman-Effekt-erster-Ordnung-Punkt des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls an. Der so genannte Null-Zeeman-Effekt erster Ordnung (zero first-order Zeeman effect - ZEFOZ) hierin bezieht sich auf die Reaktion erster Ordnung der Kernspin-Übergangsfrequenz von Seltenerd-Ionen auf ein externes Magnetfeld, das sich in einem bestimmten konstanten Magnetfeld dem Wert Null nähert. Für weitere Details zum ZEFOZ-Effekt siehe J. J. Longdell, A. L. Alexander und M. J. Sellar. Characterization of the hyperfine interaction in europium-doped yttrium orthosilicate and europium chloride hexahydrate. Phys. Rev. B 74, 195101 (2006) sowie weitere Veröffentlichungen auf diesem Gebiet. Wenn sich Seltenerd-lonen an den ZEFOZ-Punkten befinden, haben sie die längste Kohärenzzeit, die viel höher ist als der Fall, wenn sie weit weg von diesen Punkten sind. Obwohl die Kohärenzzeit der Sonde an den ZEFOZ-Punkten lang ist, ist die Magnetfeldantwort schlecht. Obwohl die Detektion von Signalen mit extrem niedriger Frequenz erreicht werden kann, ist die Empfindlichkeit daher nicht hoch. Im Falle einer Abweichung von ZEFOZ-Punkten wird, obwohl die Kohärenzzeit der Sonde etwas verkürzt ist, die Magnetfeldantwort deutlich stärker, was somit so die praktische Detektionsempfindlichkeit verbessert. Bei weiteren Abweichungen von ZEFOZ-Punkten wird die Kohärenzzeit der Sonde etwas verkürzt, obwohl die Magnetfeldreaktion noch stärker wird, nimmt die praktische Detektionsempfindlichkeit ab. Durch die Optimierung der Größe und Orientierung des konstanten Magnetfeldes kann der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall schließlich in der Nähe der ZEFOZ-Punkte arbeiten, um sowohl die Kohärenzzeit der Sonde zu verlängern als auch eine empfindliche Detektion des Signals eines niederfrequenten Magnetfeldes zu erreichen. Vorzugsweise funktioniert der Sensor dieser Offenbarung in Bezug auf ein zu messendes niederfrequentes Magnetfeld mit einer Frequenz von etwa 0,01 Hz bis 1 Hz gut in einem Bereich, der von den ZEFOZ-Punkten um 0,1 % bis 5 % und vorzugsweise nicht mehr als 2 % Intensität und nicht mehr als 0,02 Grad in der Richtung abweicht. In Bezug auf die Detektion eines Magnetfeldes mit einer relativ hohen Frequenz gibt es keine solche Grenze. Das konstante Magnetfeld mit der besten Empfindlichkeit kann von einem Fachmann nach spezifischen Sonden und Umgebungen gefunden werden.
Beim Erfassen von elektrischen Feldern ist das konstante Magnetfeld an strengen ZEFOZ-Punkten optimal. Die hierin angegebene „strenge“ bezieht sich auf die Anforderung, dass zwischen der Orientierung des konstanten Magnetfelds und dem ZEFOZ-Magnetfeld der Richtungsfehler 0,001 Grad oder weniger und der Intensitätsfehler 0,005 % oder weniger beträgt. Das Magnetfeld in diesem Bereich gehört zum Null-Zeeman-Effekt-erster-Ordnung-Punkt. Zu diesem Zeitpunkt haben Kernspins von Seltenerd-Ionen die längste Kohärenzzeit und die Abhängigkeit der Reaktion des elektrischen Feldes vom konstanten Magnetfeld ist relativ gering. Daher hat der Sensor die optimale Empfindlichkeit.
In Bezug auf einen bestimmten mit Seltenerd-Ionen dotierten Kristall ist das Verfahren zum Auffinden der ZEFOZ-Punkte auf dem Fachgebiet bekannt. Siehe zum Beispiel J. J. Longdell, A. L. Alexander und M. J. Sellar. Characterization of the hyperfine interaction in europium-doped yttrium orthosilicate and europium chloride hexahydrate. Phys. Rev. B 74, 195101 (2006).
Die Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes kann in die Niedertemperaturversorgungseinheit integriert werden.
Gepulste Magnetfelderzeugungseinheit
Die gepulste Magnetfelderzeugungseinheit 5 legt ein gepulstes Magnetfeld, das senkrecht zum konstanten Magnetfeld steht, an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall an. Dabei bezieht sich das „gepulste Magnetfeld“ auf ein Magnetfeld mit einer bestimmten Frequenz, Phase und Amplitude, so dass der Spin von Seltenerd-Ionen dadurch umgedreht werden kann. In der schematischen 1 bedeutet der Pfeil von M_gepulst nicht, dass das gepulste Magnetfeld unidirektional ist. M_gepulst kann in entgegengesetzter Richtung erfolgen oder eine Kombination von Impulsfolgen darstellen. Eine auf dem Fachgebiet gut bekannte Spin-Echo-Sequenz ermöglicht eine 90°-seitige Drehung des Kernspins durch ein erstes gepulstes Magnetfeld und ermöglicht dann ein weiteres 180°-Flip-Over des Kernspins durch das zweite gepulste Magnetfeld. Durch die Wirkung des gepulsten Magnetfeldes erzeugt der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall ein Spin-Echo im Verfahren der Spin-Entwicklung. „Spin-Entwicklung“ bezieht sich auf die spontane Larmor-Präzession von Spin-Zuständen von Seltenerd-Ionen unter einer externen Magnetfeldumgebung. Ein „Spin-Echo“ bezieht sich auf ein Phänomen, bei dem die kohärente Konvergenz der Spins der Seltenerd-Ionen unter Kontrolle eines gepulsten Magnetfeldes stattfindet, um ein Echo auszusenden. Beide Begriffe haben die auf dem Fachgebiet wohlbekannte Bedeutung. Das Spin-Echo kann von einer Lichtdetektionseinheit erfasst werden. Die Wirkung eines externen Magnetfeldes oder eines externen elektrischen Feldes ändert die Emission des Spin-Echos und wird durch Lichtsignale dargestellt, die von der Lichtdetektionseinheit detektiert werden.
Die gepulste Magnetfelderzeugungseinheit 5 kann umfassen: eine Vektor-Mikrowellen-Erzeugungseinheit, die Vektor-Mikrowellenimpulse erzeugt; und eine Mikrowellenstrahlungsspule, die Vektor-Mikrowellenimpulse in gepulste Magnetfelder umwandelt. Die Vektor-Mikrowellen-Erzeugungseinheit kann einen Mikrowellenimpuls mit einer beliebigen gewünschten Frequenz, Amplitude und Phase erzeugen. Sobald dieser Mikrowellenimpuls an ein Paar entgegengesetzt platzierter Mikrowellenstrahlungsspulen abgegeben wird, kann ein gepulstes Magnetfeld im Raum innerhalb der Spule erzeugt werden. Die Vektormikrowelle emittiert ein schließlich erzeugtes gepulstes Magnetfeld durch die Mikrowellenstrahlungsspule, die Größe der Vektormikrowelle bestimmt die Intensität des gepulsten Magnetfeldes und die Phase der Vektormikrowelle bestimmt die Flip-over-Richtung des gepulsten Magnetfeldes.
Die gepulste Magnetfelderzeugungseinheit kann auch andere Strukturen aufweisen, sofern ein gewünschtes gepulstes Magnetfeld bereitgestellt werden kann.
Die gepulste Magnetfelderzeugungseinheit 5 kann weiterhin eine dynamische Entkopplungssequenz-Steuerungsvorrichtung umfassen. Eine „dynamische Entkopplungssequenz“ bedeutet, dass durch periodische Mikrowellensequenzen ein periodisches Hochgeschwindigkeits-Flipp-over von Spinzuständen von Seltenerd-Ionen erreicht wird, um die Kohärenzzeit und die Betriebszeit der Sonde weiter zu verlängern. Das Prinzip besteht darin, dass die Frequenzspektrumauflösung der externen Magnetfelddetektion durch die Einzelfrequenzfiltereigenschaften der dynamischen Entkopplung verbessert wird. Der Fachmann kann bei Bedarf eine geeignete dynamische Entkopplungssequenz durch eine dynamische Entkopplungssequenz-Steuerungsvorrichtung erreichen.
Lichtfelderzeugungseinheit
Der Quantensensor dieser Offenbarung detektiert und analysiert die spektrale Änderung eines Spin-Echos bei einer äußeren Störung (z.B. einer Magnetfeldstörung oder einer elektrischen Feldstörung) mit optischen Mitteln, um diese äußere Störung abzuleiten. Das optische System umfasst eine Lichtfelderzeugungseinheit 4 und eine heterodyne Raman-Streulichtfeld-Detektionseinheit 6.
Einerseits kann die Lichtfelderzeugungseinheit 4 ein steuerbares Lichtfeld erzeugen, das auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall 1 aufgebracht wird, um Seltenerd-lonen in einem Anfangszustand durch optisches Pumpen zu präparieren. Optisches Pumpen bedeutet, dass das Absorptionsband der Seltenerd-Ionen durch einen steuerbaren Laserpuls manipuliert wird, damit die Seltenerd-Ionen auf einem bestimmten Energieniveau bleiben. Das optische Pumpen ist in der Technik gut bekannt und kann die Verteilung der Teilchen auf verschiedene Energieniveaus verändern. In einem Beispiel dieser Offenbarung ist der Anfangszustand der Seltenerd-Ionen, der durch das optische Pumpen erreicht wird, ein m_I=+3/2 Feinenergiezustand des Grundzustands ⁷F₀ Energieniveau der Eu-Ionen. Seltenerd-Ionen im Anfangszustand werden durch ein gepulstes Magnetfeld angeregt und erzeugen nach der Entwicklung ein Spin-Echo. Hier kann die Initialisierung von Spin-Zuständen von Seltenerd-Ionen durch optisches Pumpen erreicht werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis der Signaldetektion deutlich zu verbessern. Um Seltenerd-Ionen auf verschiedenen Energieniveaus in den gleichen Energieniveauzustand zu pumpen, kann das Lichtfeld zur Erzeugung des optischen Pumpens ein Laser sein, der mit Übergängen zu allen Energieniveaus mit Ausnahme des Ausgangszustands von Interesse in Resonanz tritt.
Andererseits kann die Lichtfelderzeugungseinheit 4 neben dem optischen Pumpen auch ein Lichtfeld zur Anregung der Raman-Streuung erzeugen. Das Licht zur Anregung der Raman-Streuung ist typischerweise ein ein-frequentes Licht.
Als eine Ausführungsform umfasst die Lichtfelderzeugungseinheit eine Laservorrichtung, die einen kontinuierlichen Laser emittiert; und einen optischen Modulator, der den von der Laservorrichtung emittierten kontinuierlichen Laser in ein moduliertes Lichtfeld moduliert. Hierin bezieht sich ein „optischer Modulator“ auf eine Vorrichtung, die die Steuerung eines Lichtfeldes basierend auf elektrischen Signalen erreicht, das einen kontinuierlichen Laser zu einem Lichtfeld mit beliebiger Amplitude, Frequenz und Phase moduliert, um für die Anforderungen an die Initialisierung von Spin-Zuständen und Raman-Streulichtdetektion geeignet zu sein. So kann beispielsweise der optische Modulator einen kontinuierlichen Laser zu einem Sweep-Frequency-Laser oder einem Einfrequenzlaser modulieren.
Es kann jede Art von Laservorrichtung verwendet werden. Vorzugsweise ist die Laservorrichtung eine schmalbandige Laservorrichtung. Die schmalbandige Laservorrichtung bezieht sich auf eine kontinuierliche Laservorrichtung mit einer Linienbreite von weniger als 1 MHz. Dies hat die Vorteile der geringen Drift der Laserfrequenz, der signifikanten Wirkung des optischen Pumpens und der stabilen Signale nach der Modulation.
Es kann jede Art von optischem Modulator verwendet werden. Vorzugsweise ist der optische Modulator ein akustooptischer Modulator, insbesondere ein programmgesteuerter akustooptischer Modulator. Der akustooptische Modulator bezieht sich auf eine Vorrichtung, die den Laser mit akustooptischem Bragg-Beugungseffekt moduliert. Dies hat die Vorteile einer hohen Beugungseffizienz und einer großen Modulationsbandbreite.
Die Lichtfelderzeugungseinheit kann weiterhin andere Strukturen umfassen, sofern sie ein gewünschtes Lichtfeld bereitstellen kann.
Die Lichtfelderzeugungseinheit kann weiterhin zusätzliche optische Elemente, wie beispielsweise Strahlteiler, Spiegel und dergleichen, zur Optimierung des optischen Systems umfassen. So ermöglicht beispielsweise der aus einem Strahlteiler 43a und einem Spiegel 43b in 2 bestehende Lichtweg, dass ein Anregungslichtfeld zweimal in den mit Seltenerd-lonen dotierten optischen Kristall eintritt, um die Signalintensität zu verbessern.
Heterodyne Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit
Die heterodyne Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit 4 detektiert und analysiert das Raman-Streulichtfeld, das von dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall durch Anregung abgestrahlt wird. Hierin bezieht sich „heterodyne Raman-Streulichtfeld-Detektion“ auf das Detektieren eines Raman-Streulichtfeldes unter Verwendung eines heterodynen Detektionsverfahrens, wobei die Detektion eines Magnetresonanzsignals durch das Detektieren von Schwebungsfrequenzsignalen und die Demodulation von lokalen Oszillator-Mikrowellen erreicht wird. Das optische heterodyne Verfahren ist ein im Bereich der Lasermessung übliches Verfahren. Bezüglich spezifischer Inhalte der heterodynen Raman-Streulichtfelddetektion, siehe J. Mlynek et al., Raman Heterodyne Detection of Nuclear Magnetic Resonance. Phys. Rev. Rev. Letts. 50. 993 (1983) sowie andere Veröffentlichungen auf diesem Gebiet. Wie die Erfinder dieser Erfindung festgestellt haben, können in Bezug auf die mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalle dieser Offenbarung Spin-Echo-Signale der mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalle nicht detektiert werden, wenn ein herkömmliches Detektionsverfahren mit einem Kernspinresonanzspektrometer verwendet wird. Wie die Erfinder dieser Erfindung weiter feststellten, kann eine hochempfindliche elektromagnetische Feldmessung mit einem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der heterodynen Raman-Streulichtfelddetektion durchgeführt werden.
Der Lichtfeld-Detektor bei der heterodynen Raman-Streulichtfelddetektion ist ein Schwebungsfrequenz-Lichtfeld-Detektor. Dabei bedeutet eine „Schwebungsfrequenz“, dass ein Raman-Streulichtfeld und ein Lokaloszillator-Lichtfeld in einem photoelektrischen Detektor kombiniert werden, um Schwebungsfrequenzsignale zu detektieren. Der Effekt ist, dass durch die Nutzung der Eigenschaft der Frequenzauswahl eine empfindliche Detektion eines schwachen Raman-Streulichtfeldes erreicht wird.
Die heterodyne Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit kann weiterhin optische Hilfselemente, wie beispielsweise Strahlteiler, Spiegel und dergleichen, zur Optimierung des optischen Systems umfassen.
Der Quantensensor dieser Offenbarung kann zum Erfassen von Magnetfeldern und zum Erfassen von elektrischen Feldern verwendet werden. Das gemessene elektromagnetische Feld ist typischerweise ein elektromagnetisches Wechselfeld. Die Frequenz des gemessenen elektromagnetischen Feldes kann kleiner als 1 kHz und kleiner als 10 mHz sein. Der Quantensensor dieser Offenbarung kann auch zum Messen einer physikalischen Größe verwendet werden, die indirekt durch Messen eines elektromagnetischen Feldes erhalten werden kann. So kann beispielsweise der Quantensensor dieser Offenbarung als Drucksensor verwendet werden, sofern der zu messende Druck durch Umwandlung in eine elektromagnetische Feldmessung erhalten werden kann. Ein möglicher Weg ist die Verwendung einer Vorrichtung, wie beispielsweise eines piezoelektrischen Elements und dergleichen.
In einer bestimmten Anwendung kann dieser Sensor verwendet werden, um ein Magnetfeld außerhalb eines Kristalls zu testen. So wurde beispielsweise im Beispiel ein Störmagnetfeld unter dem Kristall platziert. In praktischen Anwendungen kann eine interessante Magnetfeldquelle auf der Oberfläche eines Kristalls platziert werden; und dann werden Größe und Frequenz des zu messenden Feldes mit Hilfe des Spin-Echo-Verfahrens oder des vorstehend beschriebenen dynamischen Entkopplungsverfahrens geprüft.
Dieser Sensor kann auch zur Detektion eines schwachen Magnetfeldes in einem Kristall verwendet werden, wie z.B. zur kinetischen Analyse von Y (Yttrium) Spin oder anderen magnetischen Fremdstoffen in einem Kristall. In diesem Fall kann eine dynamische Entkopplung auf Seltenerd-Ionen durchgeführt werden. Das Frequenzspektrum des Umgebungsmagnetfeldes im Inneren des Kristalls wird gemäß der Beziehung zwischen der Größe des Echos der dynamischen Entkopplung und der Periode der Impulsfolge der Entkopplung analysiert.
Ein Verfahren zum Durchführen des Erfassens von elektrischen Feldern unter Verwendung des Quantensensors in einem Beispiel für diese Offenbarung umfasst:

Wie vorstehend erläutert, ist es bei der Messung elektrischer Felder bevorzugt, dass zwischen dem konstanten Magnetfeld und einem ZEFOZ-Punkt der Richtungsfehler 0,001 Grad oder weniger und der Intensitätsfehler 0,005 % oder weniger beträgt.
Ein Verfahren zum Durchführen des Erfassens von elektrischen Feldern unter Verwendung des Quantensensors in einem Beispiel für diese Offenbarung, umfassend:

Wie vorstehend erläutert, ist es bei der niederfrequenten Magnetfeldmessung in Bezug auf 0,01 Hz bis 1 Hz bevorzugt, dass sich das konstante Magnetfeld in der Nähe der ZEFOZ-Punkte befindet und stärker bevorzugt von den ZEFOZ-Punkten um 0,1 % bis 5 % abweicht.
Diese Erfindung wird im Folgenden durch Beispiele näher beschrieben.
Beispiel 1: Quantensensor basierend auf mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristallen
2 ist ein schematisches Diagramm einer Vorrichtung in einem Beispiel eines Quantensensors basierend auf einem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall. Wie in 2 dargestellt, besteht diese Vorrichtung hauptsächlich aus den folgenden Teilen:

ein mit Seltenerd-Ionen dotierter optischer Kristall 1, eine Niedertemperaturversorgungseinheit 2, eine Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes 3, eine Lichtfelderzeugungseinheit 4, eine gepulste Magnetfelderzeugungseinheit 5 und eine heterodyne Raman-Streulicht-Detektions- und Analyseeinheit 6.

Hier wird die mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristalleinheit 1 verwendet, um die Detektion eines elektromagnetischen Feldes zu erreichen und Sensorsignale zu erzeugen. Die Niedertemperaturversorgungseinheit 2 stellt dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall eine Niedertemperaturbetriebsumgebung bereit.
Die Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes 3 dient zum Anlegen eines konstanten Magnetfeldes. Die Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes 3 kann in die Niedertemperaturversorgungseinheit 2 integriert werden.
Die Lichtfelderzeugungseinheit 4 wird verwendet, um die Herstellung von Anfangszuständen von Spins von Seltenerd-Ionen durch optisches Pumpen zu erreichen, um das Signal-Rausch-Verhältnis der Kernspinresonanzdetektion zu verbessern; und wird weiterhin verwendet, um ein Raman-Streulichtfeld anzuregen.
Mit der gepulsten Magnetfelderzeugungseinheit 5 wird ein gepulstes Magnetfeld mit beliebiger Amplitude und Phase angelegt.
Die heterodyne Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit 6 dient zur optischen Detektion und zur Analyse von Spin-Echosignalen des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls durch Detekton im Ramanspektrum.
Weiterhin kann die mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristalleinheit 1 auf einer Kristallorientierungseinstellungsvorrichtung, wie beispielsweise einem Probenrotator, montiert werden. Der Probenrotator wird verwendet, um eine Probe beliebig zu drehen, um eine äquivalente beliebige Magnetfeldrichtung zu erhalten. Zu den Parametern können biaxiale beliebige Drehbarkeit, 1 Milligrad Drehgenauigkeit und 360°-Drehbarkeit gehören.
Hier wird der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall 1 verwendet, um Mikrowellenanregung von einer Mikrowellenstrahlungsspule 52 zu empfangen, um ein Spin-Echo zu erzeugen und eine Phase zu erfassen, die durch ein externes Magnetfeld im Verfahren der Spin-Entwicklung verursacht wird. Zu den Parametern können optische Kristalle (YSO, YVO, YAG und dergleichen) gehören, die mit verschiedenen Seltenerd-Ionen (Pr, Eu und dergleichen) dotiert sind. In diesem Beispiel wurde ein Eu-lonen-dotierter YSO-Kristall verwendet, der eine lonenkonzentration von 0,01 %, eine Dicke von 1 mm entlang der b-Achse des Kristalls und einen Antireflexionsfilm gegen eine Wellenlänge von 580 nm aufweist, der auf eine D1*D2-Oberfläche (d.h. die einfallende Oberfläche) aufgebracht ist. In der Praxis ist es möglich, die Orientierung und Größe des Kristalls entsprechend der optischen Absorptionstiefe des spezifischen Seltenerd-lonen-dotierten Kristalls zu bestimmen und die Dotierungskonzentration entsprechend den Anforderungen an die Kohärenzzeit des Spins zu bestimmen.
Die Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes 3 lieferte eine direkte Magnetfeldvorspannungsumgebung. In diesem Beispiel wurde eine Niedertemperaturversorgungseinheit 2 zum Kühlen gleichzeitig weiter integriert, um eine Niedertemperatur-Magnetumgebung für den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall 1 bereitzustellen, und die Parameter dafür umfassten eine Temperatur von 2K und ein Magnetfeld von etwa 1,28T.
Weiterhin umfasste die gepulste Magnetfelderzeugungseinheit 5 eine Vektor-Mikrowellenquelle 51 und eine Mikrowellenstrahlungsspule 52.
Hier wurde die Vektor-Mikrowellenquelle 51 verwendet, um einen Mikrowellenimpuls mit beliebiger Frequenz, Amplitude und Phase zu erzeugen. In diesem Beispiel können die Parameter einen Frequenzbereich von 1 MHz bis 20 GHz, eine Impulsspitzenleistung von 500 W und eine Phasengenauigkeit von 0,1° beinhalten. In diesem Beispiel betrug die Frequenz etwa 12 MHz.
Die Mikrowellenstrahlungsspule 52 wurde verwendet, um ein Mikrowellenmagnetfeld auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall aufzubringen. In diesem Beispiel umfassten die Parameter eine 8-gängige Helmholtzspule mit einem Spulendurchmesser von 6 mm und einem Drahtkerndurchmesser von 0,5 mm.
Weiterhin umfasste die Lichtfelderzeugungseinheit 4 eine Laservorrichtung 41 und einen optischen Modulator 42.
Hier wurde mit der Laservorrichtung 41 eine kontinuierliche Laserstrahlung mit schmaler Linienbreite erzeugt, die zur weiteren Programmsteuerung an den optischen Modulator 42 geliefert wurde. Die Parameter davon können eine Wellenlänge von 580 nm, eine Linienbreite von 1 kHz nach der Frequenzverriegelung durch eine Pound-Drever-Hall-Technik (PDH) und eine Leistung von 600 mW beinhalten. Der Grund, warum die Wellenlänge des Lasers auf 580 nm eingestellt wurde, war, dass die optische Resonanz-Absorptionswellenlänge der Eu-Ionen im YSO-Kristall 580 nm betrug.
Der optische Modulator 42 wurde verwendet, um eine Laserstrahlung mit schmaler Linienbreite der Laservorrichtung 41 zu empfangen, um ein Pumplichtfeld mit beliebiger Amplitude, Frequenz und Phase durch Modulation zu erzeugen oder einen Einfrequenzlaser zu erzeugen. Der Parameter davon kann ein akustooptischer Modulator mit einer Mittenfrequenz von 250 MHz und einer Hochfrequenzbandbreite von 120 MHz sein, und die Antriebsquelle davon wurde von einem Computer programmgesteuert.
Im Lichtweg dieses Beispiels gab es eine erste Linse 43a, mit der das vom optischen Modulator 42 emittierte modulierte Lichtfeld in den Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall übertragen und reflektierte Lichtsignale gesammelt wurden. Der Parameter dafür kann ein 50:50-Strahlteiler sein.
Im Lichtweg dieses Beispiels gab es eine zweite Linse 43b, die verwendet wurde, um den Lichtweg zu reflektieren und ihn wieder durch den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall passieren zu lassen, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Der Parameter kann ein Spiegel mit einem Reflexionsvermögen von 99,9 % sein.
Weiterhin umfasste die heterodyne Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit 6 einen photoelektrischen Detektor 61 und eine Demodulationsanalysevorrichtung 62.
Hier wurde der photoelektrische Detektor 61 verwendet, um ein Raman-Streulichtfeld und ein Referenzlichtfeld zu empfangen und Schwebungsfrequenzsignale zu detektieren; wobei das Referenzlichtfeld ein verbleibendes Durchlichtfeld nach einem Pumplichtfeld zur Anregung der Raman-Streuung durch einen Kristall war. Der Parameter des photoelektrischen Detektors kann ein photoelektrischer Detektor auf Siliziumbasis mit einer Detektionsbandbreite von 150 MHz sein.
Die Demodulationsanalysevorrichtung 62 wurde verwendet, um lokale Oszillator-Mikrowellensignale und Schwebungsfrequenzsignale, die aus dem photoelektrischen Detektor 61 extrahiert wurden, zu demodulieren und zu verstärken und Daten zu speichern. Die Parameter davon können eine Bandbreite von 30 kHz und einen Verstärkungsfaktor von 100 beinhalten.
Die Vorrichtung in diesem Beispiel dieser Offenbarung kombinierte die Detektionen des Kernspinechos und des elektromagnetischen Feldes des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls, um einen Quantensensor basierend auf einem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall zu erhalten, und verbesserte das Signal-Rausch-Verhältnis durch optisches Pumpen und ein heterodynes Raman-Detektionsverfahren erheblich. Die in dem vorstehend beschriebenen Verfahren verwendeten Einrichtungen waren einfach zu bedienen, und das System hatte eine relativ hohe Stabilität und vollständige Testfunktion.
Die Verwendung dieser Offenbarung wird im Folgenden am Beispiel der Magnetfeldmessung beschrieben.
Beispiel 2: Messung des externen Störmagnetfeldes
Die Magnetfeldmessung wurde mit dem Quantensensor aus Beispiel 1 durchgeführt.
Darüber hinaus wurde in diesem Beispiel der Null-Zeeman-(ZEFOZ)-Effekt erster Ordnung verwendet, um die Kohärenzzeit von Eu-Ionen zu verlängern, indem ein konstantes Magnetfeld bereitgestellt wurde, das durch den Konstantmagnetfeldgenerator 3 erzeugt wird. An einem ZEFOZ-Punkt (wobei das Magnetfeld etwa 1,28T betrug und die Orientierung des Magnetfeldes in einem kristallinen D1*D2*b-Koordinatensystem [-0,535, -0,634, 0,558] war) betrug die Kohärenzzeit des Spins der Ionen etwa 30 s. Die Sonde hatte hier die längste Betriebszeit und war für die Detektion von Signalen mit extrem niedriger Frequenz geeignet. Die Empfindlichkeit der magnetischen Detektion ist jedoch nicht hoch, da sie auf das Magnetfeld schlecht reagiert. Wenn das Magnetfeld um 200G, d.h. bei 1,30T, höher war als der ZEFOZ-Punkt, wurde die Kohärenzzeit mit Hilfe eines Spin-Echos auf etwa 1,5 s gemessen. Die Magnetfeldantwort war hier gut, so dass es eine höhere Empfindlichkeit für die Magnetfelddetektion gab.
Wenn das Magnetfeld um 200G höher war als der ZEFOZ-Punkt, wurde ein externes Störmagnetfeld praktisch basierend auf dem Spin-Echo gemessen. Dieses Störmagnetfeld war eine einzyklische Sinuswelle und hatte eine Funktionsform von B_AC*sin(1,5πt), wobei t Zeit war. Als die Anregung des Spin-Echos begann, wurde das Störmagnetfeld synchron angelegt. Bei der Erzeugung eines Echos wurde das Störmagnetfeld synchron beendet. Dieses Störmagnetfeld wurde von einer Signalquelle erzeugt und durch eine Spule ausgelöst, die 5 mm unterhalb des Sensors lag. Diese Spule hatte 4 Windungen und einen Durchmesser von 18 mm. Die Richtung des Störmagnetfeldes war konsistent mit der Richtung des konstanten Magnetfeldes. Bei Raumtemperatur haben wir mit Hilfe einer Hallsonde bestimmt, dass die Beziehung zwischen dem von dieser Spule an der Position des Kristalls freigesetzten Magnetfeld BAC und der angelegten Spannung V B_AC/V=0,9±0,1uT/V war. Daher kann die Größe des Störmagnetfeldes durch die Größe der angelegten Spannung geschätzt werden.
Das optische Pumpen wurde zunächst an der Sonde durch die Lichtfelderzeugungseinheit durchgeführt. Das Verfahren des optischen Pumpens war wie folgt. Eine Laserstrahlung von 580 nm wurde von einer Laservorrichtung emittiert. Unter Verwendung eines akustooptischen Modulators lag die abgefahrene Laserfrequenz innerhalb eines Zeitraums von 0 s bis 4 s in einem Bereich von [-45 MHz, 0 MHz], wobei 0 MHz der Mittenfrequenz 250 MHz des akustooptischen Modulators und -45 MHz einem Lichtfeld entsprach, dessen Frequenz um 45 MHz niedriger als die Mittenfrequenz ist. Insbesondere in Bezug auf ein Lichtfeld betrug die kontinuierlich abgefahrene Laserfrequenz innerhalb des Zeitraums von 0 s bis 1,5 s -45 MHz bis 0 MHz; innerhalb des Zeitraums von 1,5 s bis 2s wurde die Laserfrequenz auf 0 MHz gesteuert; und der vorstehend beschriebene Pumpvorgang von 0 s bis 2 s wurde einmal innerhalb des Zeitraums von 2 s bis 4 s wiederholt. Auf diese Weise kann der Spin-Zustand in einen m_I=+3/2 Ausgangszustand erzeugt werden. Anschließend wurde ab der Zeit von 4,5 s ein gepulstes Magnetfeld angelegt, um das Spin-Echo mit einer Impulsfolge von [90°-180°-Echo] anzuregen, und gleichzeitig wurde ein Störmagnetfeld angelegt. Die gesamte Entwicklungszeit des Spin-Echos betrug 1,332 s, was der Länge eines Zyklus des Störmagnetfeldes entsprach.
Zum Zeitpunkt von 5,832 s wurde ein der Mittenfrequenz 0 MHz entsprechendes Lichtfeld auf eine Lichtpumpeinheit aufgetragen, während das Spin-Echo emittiert wurde, und das Spin-Echosignal wurde in ein Raman-Streulichtfeld umgewandelt. Durch die heterodyne Raman-Streulichtfeldanalyse wurden der Realteil X und der Imaginärteil Y des Spin-Echosignals direkt auf einem Oszilloskop dargestellt.
Das Ergebnis des praktisch gemessenen Magnetfeldes war wie in 3 dargestellt. In der Figur war die Abszisse die Größe des angelegten Störmagnetfeldes und die Ordinate war das Verhältnis des Realteils X und des Imaginärteils Y des Kernspin-Echos zu einer Amplitude R. Die von jedem Punkt verwendete Echo-Entwicklungszeit betrug 1,332 s. Vier Messungen wurden durchgeführt und der Mittelwert wurde ermittelt. Die Anpassung einer Standard-Sinuskurve wurde entsprechend diesem experimentellen Ergebnis durchgeführt. Der durchschnittliche Anpassungsfehler betrug 0,0045 und ein entsprechendes minimal messbares Magnetfeld 4,5 nT. Bei einer Gesamtzeit von 5,328 s betrug die Empfindlichkeit der Magnetfeldmessung 10,4 nT/VHz (bei einer Betriebsfrequenz von 0,75 Hz). Als erster Seltenerd-Ionen-Quantensensor hatte diese Empfindlichkeit bereits den ersten Magnetfeldquantensensor auf NV-Mitten-Basis deutlich überschritten [30nT/VHz], siehe Nature 455.644(2008)].
Beispiel 3: Dynamisches Entkopplungsverfahren
Darüber hinaus kann neben einem einfachen Spin-Echo-Verfahren auch eine komplexe dynamische Entkopplungssequenz zum Detektieren eines externen magnetischen Wechselfeldes angewendet werden. Eine „dynamische Entkopplungssequenz“ bedeutet, dass durch periodische Mikrowellensequenzen ein periodisches Hochgeschwindigkeits-Flip von Spinzuständen von Seltenerd-Ionen erreicht wird, um die Kohärenzzeit und die Betriebszeit der Sonde weiter zu verlängern.
In diesem Beispiel war die spezielle Lösung, dass eine gepulste Magnetfelderzeugungseinheit eine dynamische Entkopplungssequenz XY-8 erzeugte. Das Verfahren zur Durchführung dieser Sequenz bestand darin, zunächst einen 90°-Impuls anzulegen und nach einem Intervall von 22,248 ms die folgende periodische Sequenz anzuwenden: X-Y-X-Y-Y-X-Y-X, wobei X einem 180°-Impuls in einer 0°-Phase entsprach und Y einem 180°-Impuls in einer 90°-Phase entsprach und der Abstand zwischen jeweils zwei 180°-Impulsen 44,496 ms betrug. Das erzeugte Echo wurde schließlich detektiert, um die durch das Störmagnetfeld verursachte Phaseninformation zu extrahieren. Die Frequenzreaktion dieses Verfahrens kann durch Abfahren der Anzahl der Zyklen des Störmagnetfeldes beobachtet werden.
Dieses Verfahren hatte den Vorteil, dass die detektierte Frequenzauflösung mit zunehmender Impulszahl allmählich besser wurde und als präzise Spektralanalyse-Technik eingesetzt werden konnte.
In diesem Beispiel, wenn das Betriebsmagnetfeld um 6G höher war als der ZEFOZ-Punkt, betrug die praktisch gemessene Kohärenzzeit 16,1 s. In diesem Arbeitspunkt wurde die dynamische Entkopplungssequenz XY-8 durchgeführt und insgesamt 1280 180°-Impulse angelegt. Das externe magnetische Wechselfeld hatte eine Größe von 1uT und eine Funktionsform von sin (2π*f*t), wobei f die Schwingungsfrequenz und t die Zeit war. 4 zeigte, dass die Größe der Phasenabweichung durch feines Verschieben der Frequenz f eines externen Wechselfeldes beobachtet wurde. Wie man sieht, kann die Frequenzspektrumauflösung dieses Analyseverfahrens bis in die Größenordnung von 10 mHz liegen.
Wie aus den vorstehend beschriebenen Beispielen hervorgeht, zeigte das praktische Messergebnis des Quantensensors auf Basis eines mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls dieser Offenbarung, dass die Empfindlichkeit des Sensors bis zu 10,4 nT/VHz bei einer Betriebsfrequenz von 0,75 Hz betragen kann, was vergleichbar ist mit der Eigenschaft des fortschrittlichsten Quantensensors im NV-Zentrum. Aufgrund der extrem langen Kohärenzzeit der Seltenerd-Ionen kann dieser Sensor zur Analyse von Signalen in einem niedrigen Frequenzbereich verwendet werden, einschließlich eines Wellenbands von 0,01 Hz bis 100 Hz. Bei der praktischen Messung eines magnetischen Wechselfeldes mit einer Frequenz von 11,237 Hz lag die Frequenzspektrumsauflösung in der Größenordnung von 10 mHz.
Die Elemente dieses Gerätes sind alle universelle elektrische und optische Vorrichtungen. Das Gerät zeichnet sich durch hohe Stabilität und Empfindlichkeit sowie einen weiten Betriebsfrequenzbereich aus und hat eine breite Anwendungsmöglichkeit.
Die Beispiele 2 und 3 haben exemplarisch das Verfahren zur Messung eines Magnetfeldes mit dem Quantensensor dieser Offenbarung veranschaulicht. Der Quantensensor dieser Offenbarung kann auch zum Erfassen von elektrischen Feldern verwendet werden. Im Vergleich zur Messung eines Magnetfeldes besteht einer der Unterschiede in den Verfahren darin, dass das angelegte konstante Magnetfeld ein strenges ZEFOZ-Magnetfeld ist. Der Quantensensor dieser Offenbarung kann auch zur Dehnungsmessung verwendet werden, solange eine Vorrichtung zur Umwandlung eines Dehnungssignals in ein Magnetfeld- oder elektrisches Feldsignal hinzugefügt wird. Andernfalls kann die Frequenzreaktion direkt beim Pressen des Kristalls getestet werden.
Andere Verwendungen des Quantensensors dieser Offenbarung können auch von dem Fachmann in Betracht gezogen werden.
Der Quantensensor dieser Offenbarung kann die Messung eines Magnetfeldes, eines elektrischen Feldes und dergleichen mit einer hohen Empfindlichkeit erreichen, indem er einen mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall als Sonde verwendet, den Ausgangszustand durch optisches Pumpen erreicht, ein Spin-Echo durch Magnetresonanz erzeugt, das Ramanspektrum durch Anregungslicht anregt und eine Analyse durchführt, die durch optische heterodyne Raman-Detektion ausgelesen wird. Dieser Quantensensor ist einfach zu bedienen und hat eine hohe Stabilität sowie die Eigenschaft, in einem weiten Frequenzbereich zu arbeiten, und kann auf dem Gebiet der präzisen Messung weit verbreitet sein.
Wie der Fachmann deutlich verstehen kann, erfolgt die Darstellung zur bequemen und einfachen Beschreibung nur durch Unterteilungen verschiedener vorstehend beschriebener Funktionsmodule. In der Praxis können die vorstehend beschriebenen Funktionen eingebracht werden, um bei Bedarf durch verschiedene Funktionsmodule erreicht zu werden. Das heißt, die innere Struktur der Vorrichtung ist in verschiedene Funktionsmodule unterteilt, um die Funktion ganz oder teilweise zu erreichen.
Aufgaben, technische Lösungen und vorteilhafte Wirkungen dieser Offenbarung werden durch die vorstehend beschriebenen speziellen Beispiele näher erläutert. Es ist zu verstehen, dass die vorstehend beschriebenen Beispiele lediglich konkrete Beispiele für diese Offenbarung sind, aber nicht dazu dienen, diese Offenbarung einzuschränken. Alle Änderungen, gleichwertigen Ersetzungen, Verbesserungen und dergleichen, die dem Gedanken und dem Grundsatz dieser Offenbarung entsprechen, sollten in den durch diese Offenbarung geschützten Umfang einbezogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

J. Mlynek et al., Raman Heterodyne Detection of Nuclear Magnetic Resonance. Phys. Rev. Rev. Letts. 50. 993 (1983) [0051]

Claims

Quantensensor, basierend auf einem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall, wobei der Quantensensor umfasst: einen mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall; eine Niedertemperaturversorgungseinheit, die eine Niedertemperaturbetriebsumgebung für den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall bereitstellt; eine Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, die ein konstantes Magnetfeld auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall anlegt; eine Lichtfelderzeugungseinheit, die ein Lichtfeld zum optischen Pumpen auf dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall bereitstellt, um Seltenerd-Ionen in einen anfänglichen Spin-Zustand zu präparieren, und ein Lichtfeld zum Anregen der Raman-Streuung des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls; eine gepulste Magnetfelderzeugungseinheit, die ein gepulstes Magnetfeld senkrecht zum konstanten Magnetfeld an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall anlegt, um den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall ein Spin-Echo erzeugen zu lassen; und eine heterodyne Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit, die ein Raman-Streulichtfeld detektiert und analysiert, das von dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall nach einem optischen heterodynen Verfahren abgestrahlt wird.
Quantensensor nach Anspruch 1, wobei der mit Seltenerd-Ionen dotierte optische Kristall ein Kristall aus Eu:YSO, Nd:YSO, Er:YSO, Pr:YSO oder Tm:YSO ist.
Quantensensor nach Anspruch 1, wobei die Lichtfelderzeugungseinheit umfasst: eine Laservorrichtung, die eine kontinuierliche Laserstrahlung aussendet; und einen optischen Modulator, der die von der Laservorrichtung emittierte kontinuierliche Laserstrahlung zu einem modulierten Lichtfeld moduliert.
Quantensensor nach Anspruch 3, wobei der optische Modulator ein akustooptischer Modulator ist.
Quantensensor nach Anspruch 3, wobei die Laservorrichtung eine schmalbandige Laservorrichtung ist.
Quantensensor nach Anspruch 1, wobei die gepulste Magnetfelderzeugungseinheit umfasst: eine Vektor-Mikrowellen-Erzeugungseinheit, die Vektor-Mikrowellenimpulse erzeugt; und eine Mikrowellenstrahlungsspule, die die Vektor-Mikrowellenimpulse in die gepulsten Magnetfelder umwandelt.
Quantensensor nach Anspruch 1, wobei die gepulste Magnetfelderzeugungseinheit eine dynamische Entkopplungssequenz-Steuerungsvorrichtung umfasst.
Quantensensor nach Anspruch 1, wobei der Quantensensor weiterhin eine Kristallorientierungseinstellungsvorrichtung umfasst.
Quantensensor nach Anspruch 1, wobei der Quantensensor einen Lichtweg umfasst, der es dem Anregungslicht für die Raman-Streuung ermöglicht, den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall zweimal zu passieren.
Verwendung des Quantensensors nach Anspruch 1 zum Erfassen von Magnetfeldern oder zum Detektieren von elektrischen Feldern.
Verfahren zum Durchführen des Erfassens von elektrischen Feldern unter Verwendung des Quantensensors nach Anspruch 1, umfassend: Anlegen eines konstanten Magnetfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, Anwenden einer Temperatur von 1K bis 15K auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Niedertemperaturversorgungseinheit, Anlegen eines Pumplichtfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Lichtfelderzeugungseinheit, um Seltenerd-Ionen in einem anfänglichen Spin-Zustand zu präparieren, Platzieren des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls in einem zu messenden elektrischen Feld, Erzeugen eines Spin-Echos der Seltenerd-Ionen unter Verwendung der gepulsten Magnetfelderzeugungseinheit, Anlegen eines Lichtfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Lichtfelderzeugungseinheit, so dass die Raman-Streuung des mit Seltenerd-lonen dotierten optischen Kristalls angeregt wird, und Detektieren und Analysieren eines Raman-Streulichtfeldes, das von dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall abgestrahlt wird, unter Verwendung der heterodynen Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit und Berechnen des zu messenden elektrischen Feldes.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei zwischen dem konstanten Magnetfeld und einem Null-Zeeman-Effekt-erster-Ordnung-Punkt der Richtungsfehler 0,001 Grad oder weniger und der Intensitätsfehler 0,005 % oder weniger beträgt.
Verfahren zum Durchführen des Erfassens eines Magnetfelds unter Verwendung des Quantensensors nach Anspruch 1, umfassend: Anlegen eines konstanten Magnetfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Einheit zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes, Anwenden einer Temperatur von 1K bis 15K auf den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Niedertemperaturversorgungseinheit, Anlegen eines Pumplichtfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Lichtfelderzeugungseinheit, um Seltenerd-Ionen in einem Anfangszustand herzustellen, Platzieren des mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristalls in einem zu messenden Magnetfeld, Erzeugen eines Spin-Echos der Seltenerd-Ionen unter Verwendung der gepulsten Magnetfelderzeugungseinheit, Anlegen eines Lichtfeldes an den mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall unter Verwendung der Lichtfelderzeugungseinheit, so dass die Raman-Streuung des mit Seltenerd-lonen dotierten optischen Kristalls angeregt wird, und Detektieren und Analysieren eines Raman-Streulichtfeldes, das von dem mit Seltenerd-Ionen dotierten optischen Kristall abgestrahlt wird, unter Verwendung der heterodynen Raman-Streulichtfeld-Detektions- und Analyseeinheit und Berechnen des zu messenden Magnetfeldes.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Intensität des konstanten Magnetfeldes von einem Null-Zeeman-Effekt-erster-Ordnung-Punkt um 0,1 % bis 5 % abweicht.