JP7428322B2 - 励起光照射装置および励起光照射方法 - Google Patents

Description

本発明は、励起光照射装置および励起光照射方法に関するものである。

近年、カラーセンタを利用した光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ：Optically Detected Magnetic Resonance）に基づく磁場計測方法が開発されている。

ＯＤＭＲでは、サブレベルの準位と光学遷移準位とをもつ媒質に高周波磁場（マイクロ波）と光をそれぞれサブレベル間の励起と光遷移間の励起のために照射することで、サブレベル間の磁気共鳴による占有数の変化などが光信号により高感度で検出される。通常、基底状態の電子が緑光で励起された後、基底状態に戻る際に赤光を発する。一方、例えば、ダイヤモンド構造中の窒素と格子欠陥（ＮＶＣ：Nitrogen Vacancy Center）中の電子は、２．８７ＧＨｚ程度の高周波磁場の照射により、光励起により初期化された後では、基底状態中の３つのサブレベルの中で一番低いレベル（スピン磁気量子数ｍｓ＝０）から、基底状態中のそれより高いエネルギー軌道のレベル（ｍｓ＝±１）に遷移する。その状態の電子が緑光で励起されると、無輻射で基底状態中の３つのサブレベルの中で一番低いレベル（ｍｓ＝０）に戻るため発光量が減少し、この光検出より、高周波磁場により磁気共鳴が起こったかどうかを知ることができる。ＯＤＭＲでは、このような、ＮＶＣを含むダイヤモンドといった光検出磁気共鳴部材が使用される。

ＮＶＣを利用したある磁場計測方法は、ＮＶＣを有するダイヤモンド基板に、レーザ光を入射させ、レーザ光が照射されたＮＶＣの発する蛍光をダイヤモンド基板から出射させ、ダイヤモンド基板から出射してきた蛍光をＣＣＤ（Charge Coupled Device）で検出している（例えば非特許文献１参照）。

「High sensitivity magnetic imaging using an array of spins in diamond」，S. Steinert, F. Dolde, P. Neumann, A. Aird, B. Naydenov, G. Balasubramanian, F. Jelezko, and J. Wrachtrup著，Review of Scientific Instrument 81, 043705，２０１０年

上述のような磁場計測方法の場合、ＮＶＣなどのカラーセンタからの蛍光の光量を増やすためには、ダイヤモンド基板の基材内でのレーザ光の光路が長いほうが好ましいため、基材内部を進行するレーザ光を基材表面にて繰り返し全反射させることが考えられる。

しかしながら、上述の磁場計測方法のように、基材内部を進行するレーザ光を基材表面にて多数回全反射させて、長い光路長を確保する場合、基材外部から内部へのレーザ光の入射角や入射位置の誤差に起因して、基材内を進行するレーザ光の反射回数（ひいては光路長）が不規則になりやすい。

基材内を進行するレーザ光の光路（光路長）が不規則である場合、上述の入射角や入射位置の誤差に起因する上述の蛍光の強度変動が、磁場計測などの測定結果に影響を与えるため、磁場計測などの測定精度（測定誤差）が均一にならず、正確な測定が困難になる。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、安定的に、基材内のカラーセンタの発する光に基づく測定を正確に行えるようにする励起光照射装置および励起光照射方法を得ることを目的とする。

本発明に係る励起光照射装置は、励起光で励起されるカラーセンタを含む基材と、基材に対して離間して配置されそれぞれ反射面を有する少なくとも１対の反射部材と、励起光を出射する照射装置と、カラーセンタの電子スピン量子操作を行うためのマイクロ波をカラーセンタに印加するコイルとを備える。コイルは、当該コイルの両端となる２つの引出導体部と、引出導体部に接続される円形状導体部とを備え、基材および反射部材は、円形状導体部の内側中空部分内に配置される。上述の少なくとも１対の反射部材は、基材の互いに対向する２つの面からそれぞれ出射した励起光を反射面で反射して基材に入射させ、励起光の、基材への入射および基材からの出射を繰り返させて、所定回数だけ励起光を基材に通過させる。そして、照射装置は、励起光を、上述の２つの引出導体部の間隙を進行するように出射して、基材に入射させる。

本発明に係る励起光照射方法は、（ａ）基材に対して離間して配置されそれぞれ反射面を有する少なくとも１対の反射部材で、基材の互いに対向する２つの面からそれぞれ出射した励起光を反射面で反射して基材に入射させることで、励起光の、基材への入射および基材からの出射を繰り返させて、所定回数だけ励起光を基材に通過させ、（ｂ）基材および反射部材は、カラーセンタの電子スピン量子操作を行うためのマイクロ波をカラーセンタに印加するコイルの円形状導体部の内側中空部分内に配置されており、励起光を、コイルの両端となる２つの引出導体部の間隙を進行させて基材に入射させる。

本発明によれば、安定的に、基材内のカラーセンタの発する光に基づく測定を正確に行えるようにする励起光照射装置および励起光照射方法が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る励起光照射装置を備える測定装置の構成例を示す図である。 図２は、図１に示す測定装置の光学系の一例を示す図である。 図３は、実施の形態１に係る励起光照射装置の構成を示す断面図である。 図４は、実施の形態１における基材１および反射部材２１ａ，２１ｂ並びに励起光の光路を説明する正面図である。 図５は、実施の形態２における基材１および反射部材２１ａ，２１ｂ並びに励起光の光路を説明する正面図である。

以下、図に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

実施の形態１．

図１は、本発明の実施の形態１に係る励起光照射装置を備える測定装置の構成例を示す図である。一例として、図１に示す測定装置は、光検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）方式で磁場や電場などといった被測定場の強度を測定する。図１に示す測定装置は、励起光で励起されるカラーセンタを含む基材１を備える。基材１には、１または複数のカラーセンタが含まれる。実施の形態１では、基材１は、略直方体形状を有し、長手方向において、互いに略平行な４つの面（平面）を有する。

この実施の形態では、基材１は、電子スピン共鳴部材であり、この電子スピン共鳴部材は、被測定場（被測定磁場や被測定電場）内に配置される。この電子スピン共鳴部材は、後述の所定の測定シーケンスにおいて、ラビ振動に基づく電子スピン量子操作を施される。

なお、被測定場の測定方式は、光検出磁気共鳴方式に限定されず、ラビ振動に基づく電子スピン量子操作を利用するものであれば、他の方式でもよい。また、この実施の形態では、基材１は、光検出磁気共鳴方式用の、ＮＶＣを有するダイヤモンドなどの部材であって、支持部材１Ｓに固定されている。なお、光検出磁気共鳴方式用の電子スピン共鳴部材としての基材１は、ＮＶＣを有するダイヤモンドに限定されず、他のカラーセンタ（例えば、ＧｅＶセンタなど）を有するものでもよい。

図１に示す測定装置は、マイクロ波生成用のコイル２および高周波電源３を備える。

コイル２は、電子スピン共鳴部材としての基材１内の１または複数のカラーセンタに対してラビ振動に基づく電子スピン量子操作を行うためのマイクロ波（磁場）を生成し基材１（カラーセンタ）に印加する。この実施の形態では、コイル２は、例えば、略長方形の板状の導体の中央部分を円形に成形したものであり、基材１は、コイル２の円形部分によりその内側に形成される中空部内に配置されている。上述のカラーセンタは、このマイクロ波を照射され、測定対象の発生する被測定場の強度などを特定するために使用される。

実施の形態１では、コイル２は、上述のカラーセンタにおけるラビ振動に基づく電子スピン量子操作を行うためのマイクロ波（の磁場）を基材１に印加する。そのマイクロ波の周波数は、基材１（電子スピン共鳴部材）の種類に応じて設定される。例えば、基材１が、ＮＶＣを有するダイヤモンドである場合、コイル２は、２．８７ＧＨｚ程度のマイクロ波磁場を印加する。高周波電源３は、コイル２にマイクロ波の電流（つまり、上述のマイクロ波の磁場を生成するための電流）を導通させる。

さらに、図１に示す測定装置は、照射装置４、受光装置５、演算処理装置６などを観測系１１として備える。観測系１１は、上述のマイクロ波が照射された電子スピン共鳴部材としての基材１を使用して被測定場の強度を特定する。

照射装置４は、所定波長の励起光および所定波長の測定光を出射する装置であり、基材１にその励起光および測定光を照射する（入射させる）。受光装置５は、測定光の照射時において基材１から発せられる蛍光を検出する。

演算処理装置６は、例えばコンピュータを備え、プログラムをコンピュータで実行して、各種処理部として動作する。この実施の形態では、演算処理装置６は、測定制御部６ａおよび演算部６ｂとして動作する。

測定制御部６ａは、高周波電源３および照射装置４を制御して、上述のカラーセンタでの物理的事象を検出しその物理的事象の検出値を導出する。物理的事象は、被測定場に対応する所定の測定シーケンスを実行することで発生する。ここでは、測定制御部６ａは、所定の測定シーケンスにおいて、高周波電源３および照射装置４を制御し、受光装置５により検出された蛍光（物理的事象）の検出光量を検出値として特定する。

例えば、照射装置４は、レーザーダイオードなどを光源として備えるとともに、その光源の発する光（励起光）を導光し所定入射角および所定入射位置で基材１に入射させる光学系を備える。また、例えば、受光装置５は、フォトダイオードなどを受光素子として備える。また、例えば、測定制御部６ａは、受光素子の出力信号に対して増幅などを行って得られる受光装置５の出力信号に基づいて、上述の検出光量を特定する。この実施の形態では、上述の所定の測定シーケンスとして、ラムゼイパルスシーケンス、スピンエコーパルスシーケンスなどが被測定場に応じて選択され適用される。なお、測定シーケンスはラムゼイパルスシーケンスおよびスピンエコーパルスシーケンスに限定されるものではない。

演算部６ｂは、所定の演算式などに従って、上述の物理的事象の検出値（上述の検出光量）に基づいて被測定場の測定値（例えば、磁束密度の振幅、向きなど）を演算する。

図２は、図１に示す測定装置の光学系の一例を示す図である。この測定装置の光学系は、支持部材１Ｓとしての１対の複合放物面型集光器（ＣＰＣ）を備える。この１対のＣＰＣにおいて、２つのＣＰＣの大口径端面が互いに接合しており、一方のＣＰＣの小口径端面から入射する光（つまり、カラーセンタの発する蛍光）が、他方のＣＰＣの小口径端面から出射する。基材１のカラーセンタで発生する蛍光は、このように支持部材１Ｓを通過して受光装置５に入射する。なお、照射装置４からの励起光および測定光は、支持部材１Ｓを通過せずに、基材１に照射される。

上述の測定装置は、基材１周辺の光学系を含む励起光照射装置を備える。図３は、実施の形態１に係る励起光照射装置の構成を示す断面図である。図４は、実施の形態１における基材１および反射部材２１ａ，２１ｂ並びに励起光の光路を説明する正面図である。

この励起光照射装置は、上述の基材１と、基材１に対して離間して配置された少なくとも１対の（少なくとも２つの）反射部材２１ａ，２１ｂを備える。

例えば図３に示すように、反射部材２１ａは、１つの部材とされ、反射部材２１ｂは、２つの部材とされる。

基材１は、例えば図３および図４に示すように、互いに対向する側面１ａ，１ｂを有し、当該基材１の側面１ａ，１ｂにおいて、当該基材１内に入射した励起光を出射させる。つまり、励起光は基材１を複数回通過する。

例えば図３および図４に示すように、反射部材２１ａ，２１ｂは、反射面２１－１，２１－２を有する平板形状の部材である。例えば、各反射部材２１ａ，２１ｂは、ガラスや透明樹脂などの光透過性部材と、光透過性部材の１面上で反射面２１－ｉ（ｉ＝１，２）を形成する膜とを備える。例えば、反射面２１－１，２１－２は、誘電体多層膜で形成される。

反射部材２１ａ，２１ｂは、例えば平板形状を有し、反射面２１－１，２１－２をそれぞれ有する。それらの反射部材２１ａ，２１ｂは、基材１から出射した励起光を反射面２１－１，２１－２で反射して基材１に入射させて、励起光の、基材１への入射および基材１からの出射を繰り返させて、所定回数だけ励起光を基材１に通過させる。

図３および図４において、側面１ａ，１ｂおよび反射面２１－１，２１－２は、Ｙ－Ｚ平面に対して略平行であり、励起光は、Ｘ軸に対して略平行に入射してくる。

この実施の形態では、例えば図４に示すように、反射面２１－２は、入射してくる励起光の光路に対して略垂直であり、反射面２１－１は、反射面２１－２（入射してくる励起光の光路に対して略垂直な方向）に対して所定の傾斜角θで傾斜しており、反射面２１－２と側面１ａ，１ｂとは互いに略平行である。この傾斜角θは、０度より大きく、かつ９０度未満である。

例えば、反射部材２１ａ，２１ｂは図示せぬ支持部材に固定されて位置決めされる。なお、上述の励起光は、支持部材１Ｓには入射しない。

また、例えば図３および図４に示すように、コイル２は、略１ターンのコイルであり、当該コイル２の両端となる２つの引出導体部２ａと、引出導体部２ａに接続される円形状導体部２ｂとを備える。基材１および反射部材２１ａ，２１ｂは、その円形状導体部２ｂの内側中空部分内に配置される。ここでは、各引出導体部２ａは、平板形状を有し、円形状導体部２ｂは、略円筒形状を有する。

そして、照射装置４は、例えば図４に示すように、励起光を、コイル２における上述の２つの引出導体部２ａの間隙２－１を進行するように出射して、基材１に入射させる。

また、照射装置４は、例えば図３および図４に示すように、励起光が反射面２１－１，２１－２の２軸Ｙ，Ｚ（つまり、反射面２１－１，２１－２の平面を張る２軸）のうちの一方の軸Ｚに対しては垂直に、かつ反射面２１－１，２１－２の２軸Ｙ，Ｚのうちの他方の軸Ｙに対しては（９０度未満の）傾斜角で反射面２１－１，２１－２に入射するように、励起光を出射する。

また、この実施の形態では、コイル２は、例えば図３および図４に示すように、出射側貫通孔２－２をさらに備える。出射側貫通孔２－２は、励起光が上述の所定回数だけ基材１に通過した後に出射側貫通孔２－２を介して進行するように配置されている。つまり、出射側貫通孔２－２は、上述の傾斜角に応じて決定される光路が通過する位置に形成される。なお、出射側貫通孔２－２を設けずに、励起光の光路にコイル２が干渉しないように、ミラーなどで励起光の光路を設定するようにしてもよい。このように、基材１通過後の励起光をコイル２に照射しないようにすることで、コイル２への励起光の照射に起因する発熱および装置の温度上昇を抑制することができる。

また、この実施の形態では、例えば図４に示すように、反射部材２１ａ，２１ｂにおける反射面２１－１，２１－２のうち、励起光を最初に反射する反射面２１－１が、２つの引出導体部２ａの間隙２－１を進行して基材１に入射する励起光の垂直方向に対して傾斜角θを有する。

さらに、この実施の形態では、例えば図４に示すように、反射部材における反射面２１－２，２１－２のうち、励起光を最初に反射する２つの反射面２１－１（２１－１ａ，２１－１ｂ）が、２つの引出導体部２ａの間隙２－１を進行して基材１に入射する励起光の垂直方向に対して、互いに反対方向に傾斜する傾斜角θを有し、その２つの反射面２１－１ａ，２１－１ｂは、励起光を、励起光の垂直方向（図４ではＹ軸方向）において、互いに逆方向となる２方向に進行させる。

なお、上述の所定回数だけ基材１に通過した後、励起光は、基材１に再入射しないように（ここでは、出射側貫通孔２－２を進行した後に）ビームダンパなどで終端される。

次に、実施の形態１に係る励起光照射装置の動作について説明する。

この励起光照射装置は、測定対象の近傍で被測定場内に配置される。そして、測定制御部６ａは、演算部６ｂとともに、上述の測定シーケンスを実行して、被測定場の強度の測定を実行する。

上述の測定シーケンスにおいて、励起光の照射タイミングになると、照射装置４は、励起光を出射する。例えば図３および図４に示すように、照射装置４から出射した励起光は、最初に、基材１に対して垂直に（つまり入射角ゼロで）側面１ａに入射し、基材１内を進行し、基材１に対して垂直に（つまり出射角ゼロで）側面１ｂから出射し、反射面２１－１に入射し、反射面２１－１で反射する。

その後、例えば図４に示すように、励起光は、反射面２１－１，２１－２で繰り返し反射しつつＹ軸方向において中央の入射位置から外側へ向かってジグザグに進行していき、所定回数だけ、基材１を通過する。そして、基材１において、励起光の光路上に存在するカラーセンタは、励起光によって励起する。

その後、測定光の照射タイミングになると、照射装置４は、測定光を出射する。測定光は、励起光と同一の光路を通り、その際に、カラーセンタで発生する蛍光が、直接、または、基材１の周囲の反射面２１－１，２１－２で反射して、支持部材１ＳとしてのＣＰＣに入射し、そのＣＰＣによって受光装置５に集光される。受光装置５で受光された蛍光が電気信号に変換される。そして、測定制御部６ａは、その電気信号に基づいて検出値（蛍光強度）を特定し、演算部６ｂは、その検出値から被測定場の測定値を算出する。

以上のように、上記実施の形態１に係る励起光照射装置は、励起光で励起されるカラーセンタを含む基材１と、基材１に対して離間して配置されそれぞれ反射面を有する少なくとも１対の反射部材２１ａ，２１ｂと、その励起光を出射する照射装置４と、そのカラーセンタの電子スピン量子操作を行うためのマイクロ波をそのカラーセンタに印加するコイル２とを備える。コイル２は、当該コイル２の両端となる２つの引出導体部２ａと、引出導体部に接続される円形状導体部２ｂとを備えており、基材１および反射部材２１ａ，２１ｂは、円形状導体部２ｂの内側中空部分内に配置されている。上述の少なくとも１対の反射部材２１ａ，２１ｂは、基材１の面１ａ，１ｂからそれぞれ出射した励起光を反射面２１－１，２１－２で反射して基材１に入射させ、励起光の、基材１への入射および基材１からの出射を繰り返させて、所定回数だけ励起光を基材１に通過させる。そして、照射装置４は、上述の励起光を、２つの引出導体部２ａの間隙２－１を進行するように出射して、基材１に入射させる。

これにより、所定回数だけ励起光が基材１を通過するように基材１の外部に配置される反射部材２１ａ，２１ｂで励起光の光路を設定しているため、照射装置４から基材１への励起光の入射角や入射位置が多少変動しても、励起光の通過回数が変動しない（つまり、基材１内での励起光の光路長が大きく変化しない）。したがって、安定的に、基材１内のカラーセンタの発する光に基づく測定が正確に行われる。

また、照射装置４は、励起光が反射面２１－１，２１－２の２軸のうちの一方の軸に対しては垂直に入射するようにしているため（つまり、基材１が設置されている基準面（ここでは支持部材１Ｓの上面）に対して平行な１平面上を進行しているため）、３次元的ではなく２次元的に光路制御を行えばよく、励起光（および測定光）の光路の変動量が大きくなりにくい。

さらに、コイル２の間隙２－１を介して励起光を、コイル２の中空部に配置されている基材１に入射させているため、コイル２によって励起光の光路が干渉されずに済む。

実施の形態２．

図５は、実施の形態２における基材１および反射部材２１ａ，２１ｂ並びに励起光の光路を説明する正面図である。実施の形態２においては、反射部材２１ａの反射面２１－１が曲面形状を有し、反射面２１－１の中央からの距離に従って傾斜角が徐々に大きくなっていく。実施の形態２では、反射面２１－１は、Ｘ－Ｙ平面において所定の曲率半径の円弧を有し、Ｚ軸方向に対して平行である。実施の形態２では、出射側貫通孔２－２は、上述の曲率半径に応じて決定される光路が通過する位置に形成される。

なお、実施の形態２に係る励起光照射装置およびそれを備える測定装置のその他の構成および動作については実施の形態１と同様であるので、その説明を省略する。

なお、上述の実施の形態に対する様々な変更および修正については、当業者には明らかである。そのような変更および修正は、その主題の趣旨および範囲から離れることなく、かつ、意図された利点を弱めることなく行われてもよい。つまり、そのような変更および修正が請求の範囲に含まれることを意図している。

例えば、上記実施の形態１，２においては、２つの反射部材２１ｂが設けられているが、その代わりに、１つの平板状の反射部材２１ｂとし、反射部材２１ｂにおいて、励起光の光路と交差する箇所に貫通孔を設け、その貫通孔を励起光が進行するようにしてもよい。

また、上記実施の形態１，２においては、反射部材２１ａ，２１ｂは、基材１から離間しているが、反射部材２１ａ，２１ｂｃは、基材１に接触していてもよい。

本発明は、例えば、ＯＤＭＲなどに基づく磁場や電場の測定に適用可能である。

１ 基材
２ コイル
２－１ 間隙
２－２ 出射側貫通孔
２ａ 引出導体部
２ｂ 円形状導体部
４ 照射装置
２１－１，２１－２ 反射面
２１ａ，２１ｂ 反射部材

Claims (5)

1. 励起光で励起されるカラーセンタを含む基材と、
   前記基材に対して離間して配置されそれぞれ反射面を有する少なくとも１対の反射部材と、
   前記励起光を出射する照射装置と、
   前記カラーセンタの電子スピン量子操作を行うためのマイクロ波を前記カラーセンタに印加するコイルとを備え、
   前記コイルは、当該コイルの両端となる２つの引出導体部と、前記引出導体部に接続される円形状導体部とを備え、
   前記基材および前記反射部材は、前記円形状導体部の内側中空部分内に配置され、
   前記少なくとも１対の反射部材は、前記基材の互いに対向する２つの面からそれぞれ出射した前記励起光を前記反射面で反射して前記基材に入射させ、前記励起光の、前記基材への入射および前記基材からの出射を繰り返させて、所定回数だけ前記励起光を前記基材に通過させ、
   前記照射装置は、前記励起光を、前記２つの引出導体部の間隙を進行するように出射して、前記基材に入射させること、
   を特徴とする励起光照射装置。
2. 前記反射部材における前記反射面のうち、前記励起光を最初に反射する反射面が、前記２つの引出導体部の間隙を進行して前記基材に入射する前記励起光の垂直方向に対して傾斜角を有することを特徴とする請求項１記載の励起光照射装置。
3. 前記反射部材における前記反射面のうち、前記励起光を最初に反射する２つの反射面が、前記２つの引出導体部の間隙を進行して前記基材に入射する前記励起光の垂直方向に対して、互いに反対方向に傾斜する傾斜角を有し、
   前記２つの反射面は、前記励起光を、前記励起光の垂直方向において、互いに逆方向となる２方向に進行させること、
   を特徴とする請求項２記載の励起光照射装置。
4. 前記コイルは、出射側貫通孔をさらに備え、
   前記出射側貫通孔は、前記励起光が前記所定回数だけ前記基材に通過した後に前記出射側貫通孔を介して進行するように配置されていること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の励起光照射装置。
5. 基材に含まれるカラーセンタに励起光を照射する励起光照射方法において、
   前記基材に対して離間して配置されそれぞれ反射面を有する少なくとも１対の反射部材で、前記基材の互いに対向する２つの面からそれぞれ出射した前記励起光を前記反射面で反射して前記基材に入射させることで、前記励起光の、前記基材への入射および前記基材からの出射を繰り返させて、所定回数だけ前記励起光を前記基材に通過させ、
   前記基材および前記反射部材は、前記カラーセンタの電子スピン量子操作を行うためのマイクロ波を前記カラーセンタに印加するコイルの円形状導体部の内側中空部分内に配置されており、
   前記励起光を、前記コイルの両端となる２つの引出導体部の間隙を進行させて前記基材に入射させること、
   を特徴とする励起光照射方法。

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