JP2014517322A5 - - Google Patents

Description

本出願の１又は２以上の実施形態に従った蛍光検出システムの概略的なブロック図である。 空格子点に隣接する置換窒素原子からなるＮＶ中心を例証する。 本開示の１又は２以上の実施形態に従った蛍光側方収集（ｓｉｄｅ−ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ）を例証する。 ダイヤモンド表面での屈折と、臨界角Ｃよりも上の全内部全反射によって導かれた光を例証する光路図を提供する。 側方収集によって検知されたＮＶ蛍光信号を、対物レンズを用いて検知されたＮＶ蛍光信号と比較する。 本出願の１つの実施形態に従って、蛍光側方収集を使用する磁力計の用途で生じたＡＣ磁力計曲線を例証する。

本開示では、ダイヤモンドなどの固体状態のスピンサンプル中の色中心蛍光のための高い光検出効率を実現することができる方法およびシステムが記載されている。これらの方法とシステムは、サンプルの外側の１又は２以上の検出器に蛍光光子を光学的に導くために、内部反射に依存している。

図１は、本出願の１又は２以上の実施形態に従った蛍光検出システム（１００）の概略的なブロック図である。例証されるシステム（１００）では、ダイヤモンド材料から形成され、ＮＶ蛍光色中心を含むサンプル（１５０）が使用されている。サンプル（１５０）は、その周囲の媒体、すなわち、空気よりも実質的に大きな屈折率を有する。したがって、色中心によって放出された蛍光は、全反射または内部反射のいずれかによって、ダイヤモンドの内部表面から内部に反射され、その結果、ダイヤモンドは光導波路として作用することができる。

図３Ａと３Ｂからよりはっきりと見えるように、サンプルは少なくとも１つの出力面と、１又は２以上の蛍光色中心によって放出される蛍光を内部に反映し、放出された蛍光を出力面に光学的に導くようい構成された少なくとも２つの対向する表面を含む。

システム（１００）は、色中心によって放射され、ダイヤモンドのサンプルの表面の対向する表面から内部に反射され、ダイヤモンドのサンプル（１５０）の１又は２以上の出力面を通って出る蛍光を受け取るように構成された少なくとも１つの光学検出器（１４０）をさらに含んでいる。検出器は、直接的に、または、フィルターを介して間接的に、出力面に接して位置付けられてもよい。

幾つかの実施形態では、システム（１００）は、レーザーからの光の焦点をサンプル（１５０）に合わせる対物レンズ（１２２）、および、励起ビームからの蛍光を分離する１又は２以上のダイクロイックミラー（１２４）、および、正確なタイミングでレーザー（１２０）をパルス化する、高速スイッチングＡＯＭ（音響光学変調器）（１３０）も含んでもよい。１又は２以上の実施形態では、光学フィルター（１２４）の１又は２以上は、ダイヤモンドのサンプル（１５０）の出力淵部に接触して置かれてもよい。フィルター（１２４）は、例えば、６５０ｎｍのロング・パス・フィルターであってもよく、ＮＶを励起させるために用いられた散乱した５３２ｎｍの光を反射しつつ、ＮＶの蛍光帯域（〜６３７−８００ｎｍ）のほとんどを伝送するように構成されてもよい。

上記の内部反射誘導系の特定の１つの実施は、側方収集と呼ばれる方法である。図３Ａおよび３Ｂは、本出願の１または２以上の実施形態に従った光側方収集を例証する。

図３Ａと３Ｂで見られるように、側方収集方法では、集光レーザービーム（３２８）は、サンプル内の特定の比体積の色中心を励起させるために用いられ、結果として生じる蛍光（３６０）のほとんどは、サンプルの少なくとも２つの対向面（３１０）からの内部反射を介してサンプルを通って光学的に誘導され、ダイヤモンドの導波路の１または２以上の出力面（３５０）から出た後に、検知される。

幾つかの実施形態では、サンプルは、主要な面が放射された蛍光を光学的に導くために対向する面を形成した、プレートの形態であってもよい。プレートは、出力面を形成する１又は２以上の側面（３５０）を含んでもかまわない。

幾つかの実施形態では、複数の検出器が設けられてもよく、それぞれの検出器は、検出器の関連する側面から光を受け取るように構成される。したがって、図３Ａで例証された実施形態では、４つの光子検出器は、ダイヤモンドチップの４つの主要な側のまわりに配置されてもよい。他の実施形態では、例えば、サンプルの１又は２以上の外表面が磨かれ、鏡で覆われる場合、検出器の数は少なくなることもある。

ＮＶ蛍光の約９１％が臨界角（２５°）を超える角度に放射され、以下に皿に記載されるように、完全に内部反射されることが分かっている。５０％が、側面に到達した後、長方形の固体サンプルの側端を出る。多重散乱の後は、もっと多くのものが側面からでる。ダイヤモンドの側端に１又は２以上の検出器を置くことによって、収集効率は、以下に皿に記載されるように、５０％＜η＜９０％の範囲になるとと予想される。ダイヤモンドの内部のいかなる場所からも光を効率的に検知することができるので、側方収集方法は大量のアンサンブルＮＶ測定にとって理想的である。

特定の実施形態が記載されてきたが、これらの実施形態における暗黙の概念は他の実施形態でも同様に使用されてもよいことが理解されよう。本開示では、単数形の要素への言及は、特段指定のない限りは「１および１のみ」を意味することを意図しておらず、むしろ、「１または２以上」を意味するように意図している。当業者に知られている、または、知られるようになる、本開示の全体にわたって記載された様々な実施形態の要素に対する構造的かつ機能的な同等物は、引用により本明細書に明らかに組み込まれる。

Claims (12)

1. 蛍光検出システムであって、
   前記蛍光検出システムは、
   励起光を生成するように構成された光源、
   光源から励起光とともに放射される際に蛍光を放出する１又は２以上の蛍光色中心を含むサンプルであって、前記サンプルは、周囲の媒体よりも大きな屈折率を有し、前記サンプルは、少なくとも1つの出力面を備え、および、１又は２以上の蛍光色中心によって放出される蛍光を内部に反射するように、かつ、前記少なくとも１つの出力面に、放出された蛍光を光学的に導くように構成される、サンプル、
   前記少なくとも１つの出力面を通って放出された蛍光を受け取るように構成された少なくとも１つの光学検出器、および、
   少なくとも１つの蛍光色中心の電子スピンを操作するように構成されたマイクロ波源を含み、
   ここで、サンプルが、ダイヤモンド材料から形成され、
   前記ダイヤモンド材料が、プレートの形態であり、該プレートの主要な面が、放出された蛍光を光学的に導くために少なくとも２つの対向する面を形成し、前記プレートが、前記少なくとも１つの出力面を形成する１又は２以上の側面をさらに含み、
   前記光源が、前記ダイヤモンド材料のプレートの主要な面を通って励起光を放出するように構成され、および
   前記少なくとも１つの光学検出器が、前記ダイヤモンド材料のプレートの１又は２以上の側面を通って放出された蛍光を受け取るように構成される、ことを特徴とするシステム。
2. 蛍光色中心はダイヤモンド材料中にＮＶ（窒素欠陥）中心を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の蛍光検出システム。
3. ２つの対向する面は１０°以内で平行である、ことを特徴とする請求項１または２に記載の蛍光検出システム。
4. プレートは複数の側面を含み、少なくとも１つの光学検出器は、前記複数の側面の少なくとも２つから放出された蛍光を受け取るように構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の蛍光検出システム。
5. 複数の光学検出器が設けられ、各検出器は関連する側面から光を受け取るように構成される、ことを特徴とする請求項４に記載の蛍光検出システム。
6. 前記少なくとも１つの光学検出器は、前記少なくとも１つの出力面を介して放射された蛍光の少なくとも７５％を受け取るような、前記少なくとも１つの出力面に対する大きさおよび位置を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の蛍光検出システム。
7. 前記少なくとも１つの光学検出器は、直接的に、または、フィルターを介して間接的に、前記少なくとも１つの出力面に接して位置付けられる、ことを特徴とする請求項１に記載の蛍光検出システム。
8. 光学源は６３７ｎｍ未満の波長に調整可能なレーザーまたはＬＥＤである、ことを特徴とする請求項１に記載の蛍光検出システム。
9. 光源は、さらに、ｍ_ｓ＝０の基底状態のＮＶスピンを準備するために、ＮＶ中心を光学的にポンピングするように構成される、ことを特徴とする請求項２に記載の蛍光検出システム。
10. 少なくとも１つの光学検出器によって受け取られた蛍光に基づいて外部場に関する情報を決定するように構成されるプロセッサをさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の蛍光検出システム。
11. 前記外部場は磁場である、ことを特徴とする請求項１０に記載の蛍光検出システム。
12. 前記外部場は電場である、ことを特徴とする請求項１０に記載の蛍光検出システム。