RU190347U1 - Integral fiber optic quantum sensor with microwave delivery channel for thermal and magnetometry - Google Patents
Integral fiber optic quantum sensor with microwave delivery channel for thermal and magnetometry Download PDFInfo
- Publication number
- RU190347U1 RU190347U1 RU2018147357U RU2018147357U RU190347U1 RU 190347 U1 RU190347 U1 RU 190347U1 RU 2018147357 U RU2018147357 U RU 2018147357U RU 2018147357 U RU2018147357 U RU 2018147357U RU 190347 U1 RU190347 U1 RU 190347U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical fiber
- microwave
- metal
- delivery channel
- magnetometry
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
- G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
Abstract
Предложен интегральный оптоволоконный квантовый сенсор с каналом доставки СВЧ-излучения для термо- и магнитометрии, содержащий оптический световод с закрепленным на его торце хотя бы одним кристаллом алмаза с азото-замещенными вакансиями, двухпроводную металлическую СВЧ линию на поверхности оптического световода, изогнутую в форме незамкнутого кольца вокруг торца оптического световода, двухпроводная металлическая СВ-линия содержит первый субмикронный адгезионный слой металла, и второй слой металла на поверхности первого слоя металла. Второй металл обладает высокой проводимостью, выбран из группы, содержащей серебро, медь, толщина второго слоя металла хотя бы 2 мкм. Образцы оптоволокна с нанесенным слоем проводящего металла далее пригодны для дальнейшего изготовления зондов с двухпроводной СВЧ-линией (двух токоведущих дорожек и антенны на торце волокна). Была использована технология, основанная на фотолитографии с прямой засветкой лазерным излучением и химическом травлении.Техническим результатом предлагаемого технического решения является создание компактного интегрального оптоволоконного квантового сенсора с каналом доставки СВЧ-излучения, обеспечивающего надежные и эффективные измерения температуры и магнитного поля в труднодоступных местах. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.An integrated optical fiber quantum sensor with a microwave delivery channel for thermal and magnetometry is proposed. It contains an optical fiber with at least one diamond crystal with nitrogen-substituted vacancies attached to its end, a two-wire metallic microwave line on the surface of the optical fiber, bent in the shape of an open ring around the end of the optical fiber, the two-wire metallic CB-line contains the first submicron adhesive metal layer, and the second metal layer on the surface of the first metal layer la The second metal has a high conductivity, is selected from the group containing silver, copper, the thickness of the second metal layer is at least 2 microns. Fiber samples with a deposited layer of conductive metal are further suitable for the further manufacture of probes with a two-wire microwave line (two current paths and an antenna at the fiber end). A technology based on photolithography with direct illumination by laser radiation and chemical etching was used. The technical result of the proposed technical solution is the creation of a compact integrated optical fiber quantum sensor with a microwave delivery channel providing reliable and effective temperature and magnetic field measurements in hard-to-reach places. 6 hp f-ly, 6 ill.
Description
Предлагаемое техническое решение относится к волоконно-оптическим сенсорным устройствам для измерения магнитных полей и температуры в эндоскопическом режиме.The proposed solution relates to fiber-optic sensor devices for measuring magnetic fields and temperatures in the endoscopic mode.
Одним из перспективных направлений в этой области является использование квантовых методик и элементов, в частности, микро- и наночастиц алмаза с азото-замещенными вакансиями (NV-центрами). Отрицательно заряженные NV-центры обладают высокой фотостабильностью, сильными оптическими переходами и являются уникальной квантовой системой с возможностями управления электронным спиновым состоянием NV-центра с помощью микроволнового излучения, и, что очень важно, позволяют реализовать оптическую инициализацию этих состояний при комнатной температуре. Эти объекты рассматриваются в качестве одного из кандидатов для практической реализации различных устройств квантовой оптики и информатики. На основе процесса оптического возбуждения и детектирования электронного спинового резонанса предложены устройства и методики, позволяющие оптическими методами локально измерять магнитное поле, давление и температуру (Т. Plakhotnik, et al. Nano Lett., 2014, 14, p 4989 (2014)).One of the promising areas in this area is the use of quantum techniques and elements, in particular, micro- and nanoparticles of diamond with nitrogen-substituted vacancies (NV-centers). Negatively charged NV centers have high photostability, strong optical transitions and are a unique quantum system with the capabilities of controlling the electron spin state of the NV center using microwave radiation, and, very importantly, they allow optical initialization of these states at room temperature. These objects are considered as one of the candidates for the practical implementation of various devices of quantum optics and informatics. Based on the process of optical excitation and detection of electron spin resonance, devices and techniques have been proposed that allow optical methods to locally measure the magnetic field, pressure and temperature (T. Plakhotnik, et al. Nano Lett., 2014, 14, p 4989 (2014)).
В заявке PCT WO 2009073736 Al ("Spin based magnetometer" M. Lukin, R.L. Walsworth), рассматривается реализация при комнатной температуре высокочувствительного магнитометра с использованием твердотельной электронной спиновой системы, в качестве которой выступают NV-центры в частицах алмаза. По-существу, физическая возможность регистрации магнитного поля связана с эффективной поляризацией спиновых состояний электрона NV-центра в присутствии внешнего магнитного поля в условиях электронного парамагнитного (спинового) резонанса. При наличии модулирующего СВЧ-поля в области парамагнитного резонанса спиновые состояния электронов могут прецессировать вокруг детектируемого магнитного поля, при этом величина спиновой прецессии линейно связано с зеемановским расщеплением энергетических уровней спинового состояния. Спиновые электронные состояния возможно детектировать оптическими методами, измеряя интенсивность флуоресценции, которая чувствительна к зеемановскому расщеплению уровней в условиях спинового резонанса и соответственно к измеряемому магнитному полю.PCT application WO 2009073736 Al ("Spin based magnetometer" M. Lukin, R.L. Walsworth) considers the implementation at room temperature of a highly sensitive magnetometer using a solid-state electron spin system, which is represented by NV centers in diamond particles. In essence, the physical possibility of detecting a magnetic field is associated with the effective polarization of the spin states of an electron of an NV center in the presence of an external magnetic field under conditions of an electron paramagnetic (spin) resonance. In the presence of a modulating microwave field in the region of paramagnetic resonance, the spin states of electrons can precess around the detected magnetic field, and the magnitude of the spin precession is linearly related to the Zeeman splitting of the energy levels of the spin state. Spin electron states can be detected by optical methods by measuring the intensity of fluorescence, which is sensitive to Zeeman level splitting under conditions of spin resonance and, accordingly, to the measured magnetic field.
В заявке на патент «Nanometer scale quantum thermometer)) WO 2014165505 Al, описаны основные механизмы и параметры оптического метода измерения температуры с помощью наночастиц алмаза с NV-центрами. Этот метод основан на использовании температурной зависимости поляризации (возбуждения) электронного спинового резонанса NV-центров в микро и наночастицах алмаза. Лазерное излучение накачки поляризует (возбуждает) основное триплетное состояние центров окраски (NV-центров), внедренных с нано- и микрочастицы алмаза. Оптическая регистрация излучения происходит за счет детектирования флуоресценции из возбужденного состояния, которая чувствительна к спиновому состоянию основного триплетного электронного состояния NV-центров, для модуляции которого используется микроволновое излучение (или импульсы). Авторы патента указывают, что измерения могут осуществляться как с широким диапазонами чувствительностью от 10 K/Гц до 50 мкК/Гц, так и значительном диапазоне температур от 100 K до 600 K. Идея использования частиц алмаза для комплексного измерения широкого набора параметров (температуры, напряженности магнитного поля, давления) с высоким пространственным разрешением изложена в патенте "Wide-field imaging using nitrogen vacancies" US 20150001422 A1. К недостаткам данных заявок можно отнести, что здесь указаны общие принципы регистрации физических величин (температуры, магнитного поля), но не представлены конструктивные решения для проведения измерений в эндоскопическом режиме.The patent application “Nanometer scale quantum thermometer)) WO 2014165505 Al describes the basic mechanisms and parameters of the optical method for measuring temperature using diamond nanoparticles with NV centers. This method is based on the use of the temperature dependence of the polarization (excitation) of the electron spin resonance of NV centers in micro and nanoparticles of diamond. The pumping laser radiation polarizes (excites) the ground triplet state of the color centers (NV centers) embedded with diamond nano- and microparticles. Optical registration of radiation occurs due to the detection of fluorescence from the excited state, which is sensitive to the spin state of the ground triplet electronic state of NV centers, which is modulated using microwave radiation (or pulses). The authors of the patent indicate that measurements can be carried out with a wide range of sensitivity from 10 K / Hz to 50 µK / Hz, and a significant temperature range from 100 K to 600 K. The idea of using diamond particles for complex measurement of a wide range of parameters (temperature, intensity magnetic field, pressure) with high spatial resolution is described in the patent "Wide-field imaging using nitrogen vacancies" US 20150001422 A1. The disadvantages of these applications can be attributed to the fact that the general principles for recording physical quantities (temperature, magnetic field) are indicated here, but constructive solutions for carrying out measurements in endoscopic mode are not presented.
К настоящему моменту на основе этих принципов было продемонстрировано несколько методик с использованием нанокристаллов алмаза с одиночными NV-центрами для измерения сверхслабых магнитных полей (до пикоТесла) и со сверхвысоким (до десятков нм) пространственным разрешением (J.M. Taylor, et al. "High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscale resolution". Nat. Phys. 4, 810-816 (2008); J.R. Maze, et al. "Nanoscale magnetic sensing with an individual electronic spin in diamond". Nature 455, 644-647 (2008); G. Balasubramanian, et al. "Nanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient conditions". Nature 455, 648-651 (2008)). В работе (Hall, L.T. et al. "High spatial and temporal resolution wide-field imaging of neuron activity using quantum NV-diamond". Scientific Reports, 2, 401 (2012)) был продемонстрирован эффективный метод измерения локальных магнитных полей с использованием наноалмазов с NV-центрами в биологических объектах. Несмотря на высокую чувствительность продемонстрированных методик и их большой потенциал, они пока не получили заметного распространения в прикладных задачах. Общим недостатком указанных технического решения является необходимость проведения измерений в окружении громоздкого, чувствительного и сложного оборудования, содержащего системы конфокальной микроскопии и распределенные излучатели гигагерцового (СВЧ) излучения. Кроме того, частицы алмаза, импрегнированные в объект и обеспечивающие высокую точность и локальность диагностики, могут нарушить функциональные свойства объекта, а также являются, по-существу расходным материалом, что принципиально повышает стоимость проводимых измерений.To date, based on these principles, several techniques have been demonstrated using diamond nanocrystals with single NV centers for measuring super-weak magnetic fields (up to picoTesla) and with ultra-high (up to tens of nm) spatial resolution (JM Taylor, et al. "High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscale resolution ". Nat. Phys. 4, 810-816 (2008); JR Maze, et al." Nanoscale magnetic spin in diamond ". Nature 455, 644-647 (2008); G Balasubramanian, et al. "Nanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient conditions". Nature 455, 648-651 (2008)). An effective method for measuring local magnetic fields using nanodiamonds was demonstrated in (Hall, LT et al. "High-resolution and wide-field imaging of neuron activity using quantum NV-diamond". Scientific Reports, 2, 401 (2012)). with NV centers in biological objects. Despite the high sensitivity of the demonstrated techniques and their great potential, they have not yet received noticeable distribution in applied problems. A common drawback of these technical solutions is the need for measurements in the environment of bulky, sensitive and complex equipment containing confocal microscopy systems and distributed gigahertz radiators (UHF) radiation. In addition, diamond particles impregnated into the object and providing high accuracy and local diagnostics can disrupt the functional properties of the object, and also are essentially consumable, which fundamentally increases the cost of the measurements.
Сопряжение уникальных физических свойств отрицательно заряженных NV-центров в алмазе с волоконно-оптическими и СВЧ технологиями могло бы позволить расширить их научный и технологический потенциал для целей измерения различных физических параметров. При этом идея использования световодов, совмещенных с различными типами миниатюрных сенсоров, для реализации процедуры оптических измерений в эндоскопическом режиме также активно развивается. В патентной заявке US 4245507 в общем виде описаны элементы эндоскопа с использованием оптического световода с закрепленным на его конце термочувствительными флуоресцентными частицами. Измерение происходит за счет изменения флуоресценции частиц чувствительных к температуре. Однако подобные флуоресцирующие частицы обладают достаточно низкой точностью и ограниченным диапазоном измерения температуры. Волоконные сенсоры для измерения магнитных полей на основе оптических методов возбуждения и регистрации флуоресценции микрочастиц алмаза с отрицательно заряженными NV-центрами в модулирующем СВЧ-поле были представлены в нескольких патентных заявках, например, US 20110062957 или CN 102193074.The combination of the unique physical properties of negatively charged NV-centers in diamond with fiber-optic and microwave technologies could expand their scientific and technological potential for the purpose of measuring various physical parameters. At the same time, the idea of using optical fibers combined with various types of miniature sensors for the implementation of optical measurements in the endoscopic mode is also being actively developed. In patent application US 4,245,507, elements of an endoscope are described in general terms using an optical fiber with heat-sensitive fluorescent particles fixed on its end. The measurement occurs due to a change in the fluorescence of the temperature-sensitive particles. However, such fluorescent particles have a rather low accuracy and a limited range of temperature measurement. Fiber sensors for measuring magnetic fields based on optical excitation methods and fluorescence detection of diamond microparticles with negatively charged NV centers in a modulating microwave field were presented in several patent applications, for example, US 20110062957 or CN 102193074.
В качестве аналога рассмотрим патент CN 102193074 В, в котором описан прибор для измерения магнитных полей, содержащий источник лазерного излучения, источник СВЧ-излучения, комбинированное оптическое волокно, монокристаллическую алмазную частицу с единичным NV-центром, линию передачи СВЧ-излучения, спектрометр. Комбинированный оптический световод состоит из двух оптических волокон, между торцами которых расположена монокристаллическая алмазная частица с одиночным NV-центром, одно из волокон служит для передачи возбуждающего лазерного излучения, а второе служит для сбора флуоресцетного сигнала и доставки его в спектрометр. К недостаткам представленного решения можно отнести, что конфигурация подобного комбинированного оптического световода, состоящего из двух направленных в разные стороны частей, ограничивает применение сенсорного устройства в качестве зонда в эндоскопическом режиме. Проводник СВЧ-поля не интегрирован с оптическим волноводом, что делает неудобным его эксплуатацию. Кроме того, в патенте принципиально указывается на использование частицы с одиночным NV-центром. Использование стандартных оптических свтоводов, доставляющими излучение накачки к частице с одиночным NV-центром, делает такую систему практически нереализуемой из-за фундаментальных физических ограничений - слабый сигнал флуоресценции от одиночного NV-центра, не может быть измерен на фоне зашумляющего комбинационного (рамановского) сигнала рассеяния в материале волокна.As an analogue, consider the patent CN 102193074 V, which describes a device for measuring magnetic fields containing a laser source, a microwave source, a combined optical fiber, a single-crystal diamond particle with a single NV center, a microwave transmission line, a spectrometer. The combined optical fiber consists of two optical fibers, between the ends of which is a single-crystal diamond particle with a single NV center, one of the fibers serves to transmit excitation laser radiation, and the second serves to collect the fluorescent signal and deliver it to the spectrometer. The disadvantages of the presented solution are that the configuration of such a combined optical fiber consisting of two parts directed in different directions limits the use of the sensor device as a probe in the endoscopic mode. The microwave field conductor is not integrated with the optical waveguide, which makes it inconvenient to operate. In addition, the patent basically points to the use of a particle with a single NV-center. The use of standard optical pipelines delivering pumping radiation to a particle with a single NV center makes such a system practically impossible due to fundamental physical limitations - a weak fluorescence signal from a single NV center cannot be measured against a noisy Raman scattering signal in the fiber material.
В работах авторов вносимого изобретения (заявка на патент RU 2015107331; Scientific reports 4, 5362 (2014); Optics Letters 40, 3727 (2015); Scientific reports 5, 15737 (2015); Nature Communication 8, 15362 (2017), и др.) используется подход, связанный с совмещением оптического световода с квантовым сенсором (микрочастицей алмаза с отрицательно заряженными NV-центрами), помещаемый на торец оптического световода. В перечисленных работах был развит метод измерения либо слабых магнитных полей, либо температуры с помощью оптического зонда, совмещенного с СВЧ-линией. Основными компонентами, реализованного зонда является: источник лазерного излучения; источник СВЧ-излучения; оптическая система регистрации; алмазная частица с отрицательно заряженными NV-центрами; оптический световод, передающий возбуждающее лазерное излучение к частице алмаза и детектируемое излучение флуоресценции в направлении к оптической системе регистрации; линия передачи модулирующего СВЧ-поля, размещаемая на оболочке оптического волокна, и выполненную в виде двухпроводного канала, интегрированного с оболочкой оптического световода и изогнутого в форме незамкнутого кольца вокруг торца оптического световода, на котором закреплена алмазная микрочастица с NV-центрами.In the works of the authors of the proposed invention (patent application RU 2015107331;
Технической задачей предлагаемого технического решения является создание компактного интегрального оптоволоконного квантового сенсора с каналом доставки СВЧ-излучения, позволяющего обеспечить измерения температуры и магнитного поля с высоким пространственным разрешением и высокой точностью.The technical objective of the proposed technical solution is the creation of a compact integral fiber-optic quantum sensor with a channel for the delivery of microwave radiation, allowing to provide temperature and magnetic field measurements with high spatial resolution and high accuracy.
Рассмотрим более подробно принципы работы квантового сенсора, а также технику измерений температуры и магнитного поля с помощью оптического/СВЧ зонда с интегрированным квантовым сенсором (Фиг. 1). В качестве квантовых сенсоров использовались коммерчески доступные искусственные монокристаллы алмаза с центрами окраски (отрицательно заряженными NV-центрами). Центры окраски образовывались в процессе облучения микрокристаллов алмаза высокоэнергетичными (МэВ) электронами с последующим высокотемпературным отжигом. В результате данного технологического процесса достигалась плотность NV-центров порядка 1016 см-3. Для демонстрационных экспериментов были использованы монокристаллы алмаза (1) с диаметрами от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров (см. также Фиг. 3а), которые с помощью механического манипулятора и оптического микроскопа позиционировались на торце оптического волокна (2) с числовой апертурой NA=0.2 в области его световодной сердцевины и далее фиксировались с помощью этилцианокрылатного клея. Микроволновое поле доставляется к микрокристаллу алмаза через двухпроволочную СВЧ-линию (3), состоящую из двух медных проволочек диаметром 50 мкм и сопряженную с оптическим волокном (2). Проволочка загибается в виде круглой петли вокруг торца оптического волокна, что обеспечивает максимум распределения микроволнового поля в месте нахождения алмазной микрочастицы (1) (см. также Фиг. 3(1)). Оптическое возбуждение NV-центров в микрочастице алмаза обеспечивается излучением на длине волны 532 нм, генерируемым лазерным источником (4), в качестве которого использовалось излучение второй гармоники непрерывного Nd:YAG лазера мощностью от 1 до 50 мВт. Это излучение фокусируется с помощью микрообъектива (5) и заводится в сердцевину волокна диаметром 200 мкм (2) и далее доставляется по его световодной сердцевине к алмазной микрочастице, закрепленной на торце волокна. Фотолюменесценция, излученная NV-центрами в спектральной полосе 630-800 нм, собирается тем же самым оптическим волокном (2) и передается в направлении "назад" через дихроичное зеркало (6) к системе регистрации, состоящей из кремниевого фотодиода (7), низкошумящего предусилителя (8) и синхронного усилителя (9). Микроволновое поле генерируется компактным генератором (10), который позволяет сканировать СВЧ поле вблизи магнитного (спинового) резонанса основного состояния NV-центров в микрочастице алмаза. Для повышения чувствительности измерений используется методика синхронного детектирования, реализуемая за счет модуляции генерируемого микроволнового поля реперной частотой, которая задается аналогово-цифровым преобразователем (11), управляется с помощью компьютера (12) и является опорной частотой при синхронной регистрации и анализе сигнала флуоресценции.Let us consider in more detail the principles of operation of a quantum sensor, as well as the technique of measuring temperature and magnetic field using an optical / microwave probe with an integrated quantum sensor (Fig. 1). Commercially available artificial diamond single crystals with color centers (negatively charged NV centers) were used as quantum sensors. The color centers were formed in the process of irradiating diamond microcrystals with high-energy (MeV) electrons with subsequent high-temperature annealing. As a result of this technological process, the density of NV-centers was about 10 16 cm -3 . For demonstration experiments, diamond single crystals (1) with diameters ranging from several tens to several hundred micrometers were used (see also Fig. 3a), which were positioned at the end of the optical fiber (2) with a numerical aperture NA = 0.2 using a mechanical manipulator and optical microscope in the region of its light guide core and further were fixed with ethyl cyanocrylate glue. The microwave field is delivered to the diamond microcrystal via a two-wire microwave line (3), consisting of two copper wires with a diameter of 50 μm and coupled with an optical fiber (2). The wire is bent in the form of a circular loop around the end of the optical fiber, which ensures the maximum distribution of the microwave field at the location of the diamond microparticle (1) (see also Fig. 3 (1)). Optical excitation of NV centers in a diamond microparticle is provided by radiation at a wavelength of 532 nm generated by a laser source (4), which used the second harmonic radiation of a continuous Nd: YAG laser with a power from 1 to 50 mW. This radiation is focused using a micro-lens (5) and is inserted into the fiber core with a diameter of 200 μm (2) and then delivered along its light-guided core to a diamond microparticle fixed at the fiber end. Photoluminescence emitted by NV centers in the spectral band of 630-800 nm is collected by the same optical fiber (2) and transmitted in the "back" direction through a dichroic mirror (6) to the recording system consisting of a silicon photodiode (7), a low-preamp (8) and a synchronous amplifier (9). The microwave field is generated by a compact generator (10), which allows scanning the microwave field near the magnetic (spin) resonance of the ground state of the NV centers in a diamond microparticle. To increase the sensitivity of measurements, a synchronous detection technique is used, implemented by modulating the generated microwave field by the reference frequency, which is set by the analog-digital converter (11), controlled by a computer (12) and is the reference frequency for synchronous recording and analysis of the fluorescence signal.
Основы физического принципа работы квантового сенсора заключается в возможности оптической регистрации изменения интенсивности флуоресценции, возбуждаемой лазерным излучением накачки. Интенсивность флуоресценции IPL зависит от состояния основного уровня отрицательного NV-центра в алмазе, которое изменяется при сканировании частоты микроволнового СВЧ-поля в области магнитного (спинового) резонанса (Фиг. 2). Лазерное излучение накачки переводит основное состояние 3А NV-центра в возбужденное состояние 3Е. Возбуждение этого состояния снимается обратно на основной уровень 3А с магнитным (спиновым) квантовым числом ms=0 в виде излучения флуоресценции, что проявляется Ωs в виде характерной "бесфоннонной" линии на длине волны 637 нм при комнатной температуре). Однако, из-за уширения верхних уровней, обусловленного взаимодействием с кристаллической решеткой, флуоресценция излучается в широкой полосе длин волн, простирающейся от 630 нм до 800 нм (при этом пик "бесфоннонной" линии обычно бывает легко различим на фоне этой полосы). В отсутствии внешнего магнитного поля основное триплетное состояние NV-центра с магнитными (спиновыми) квантовыми числами ms=0,±1 расщеплено на величину Ωs=2.87 ГГц (Фиг. 2). Для NV-центров, возбуждаемых из состояния ms=±l, выход излучения флуоресценции меньше, чем в случае возбуждения из состояния с ms=0. Это происходит из-за того, что в первом случае (возбуждение из состояния с ms=±1) релаксация из 3Е в состояние 3А с ms=0 происходит через метастабильный уровень 1А (Фиг. 2), которое не дает вклад фотолюминсценцию. Таким образом, интенсивность фотолюминесценции IPL уменьшается в случае, если система возбуждается из состояния с ms=±1. Этим процессом можно управлять за счет приложения и модуляции микроволнового излучения, подаваемого через интегрированную с оптическим волокном СВЧ линию. Микроволновое поле сканируется в области частоты магнитного резонанса Ωs=2.87 ГГц, которое поляризует (возбуждает) основной триплетный уровень NV-центров из состояния с ms=0 в состояние с ms=±1. Этот эффект наблюдается в виде хорошо наблюдаемого изменения интенсивности фотолюминесценции (может регистрироваться как провал, так и как пик в зависимости от метода измерения) зависимости от частоты модулирующего микроволнового поля. Даже в отсутствии внешнего магнитного поля локальное напряжение решетки алмаза приводит к снятию вырождения состояния ms=±1, что проявляется в наличии двух хорошо заметных пиков (Фиг. 2). Присутствие внешнего магнитного поля приводит к сильному изменению формы резонансной кривой и появлению нескольких пиков, и на этом эффекте основан принцип работы детектора магнитного поля. Изменение температуры измеряемых объектов и соответственно микрочастицы алмаза приводит не к изменению формы, а к сдвигу резонансной кривой. При этом при возрастании температуры профиль сдвигается в сторону меньших частот, что происходит из-за температурного изменения состояния решетки алмаза. Указанные физические принципы обеспечивает возможность проведения оптических измерений магнитного поля и температуры с помощью оптического световода, совмещенного с СВЧ-линией и квантового сенсора на основе отрицательных NV-центров в микро- и наночастицах алмаза.The basis of the physical principle of operation of a quantum sensor lies in the possibility of optical recording of changes in the fluorescence intensity excited by laser pump radiation. The fluorescence intensity of I PL depends on the state of the ground level of the negative NV center in diamond, which changes when the microwave frequency of the microwave field is scanned in the magnetic (spin) resonance region (Fig. 2). The laser radiation of the pump translates the
Однако, до сих пор проведение измерений магнитного поля и температуры осуществлялось раздельно друг от друга. Кроме того, имеются ограничения в процедуре измерений в связи технологией изготовления СВЧ-линии, что соответственно снижает функциональность используемого зонда. При изготовлении зонда использовалась СВЧ-линия с двумя медными цилиндрическими проводниками, закрепляемыми вдоль оптического волокна и изгибаемого на его конце для концентрации магнитного поля в области нахождения микрочастицы алмаза. Этот подход был использован в упомянутых ранее наших работах. Изготовление проволочных двухпроводных линий требует высококвалифицированного ручного труда с естественными ограничениями на однородность изготовляемого продукта. Возможность миниатюризации зонда существенно ограничена размерами 300-400 мкм, так как для их изготовления применялись волокна диаметром от 250 мкм и проволока толщиной 50-100 мкм.However, until now, measurements of the magnetic field and temperature were carried out separately from each other. In addition, there are limitations in the measurement procedure in connection with the technology of manufacturing the microwave line, which accordingly reduces the functionality of the probe used. In the manufacture of the probe, a microwave line was used with two copper cylindrical conductors fixed along the optical fiber and bent at its end to concentrate the magnetic field in the region where the diamond microparticle is located. This approach was used in our previously mentioned works. The manufacture of wire two-wire lines requires highly skilled manual labor with natural restrictions on the homogeneity of the product being manufactured. The possibility of miniaturization of the probe is significantly limited by the size of 300-400 microns, since for their manufacture fibers with a diameter of 250 microns and a wire of 50-100 microns thickness were used.
Создание более компактного оптомикроволноводного интерфейса крайне актуально, так как позволит существенно расширить экспериментальные возможности алмазной фотоники, измерения магнитного поля в труднодоступных областях, волоконных методов измерения температуры и, в частности, создать полезный инструмент для нейрофотоники. В задачу настоящего изобретения входит реализация универсального устройства, совмещающего возможность измерения температуры и магнитного поля в эндоскопическом режиме с высоким пространственным разрешением на основе оптического световода с интегрированным каналом доставки СВЧ-излучения с алмазными микрочастицами (с одной или несколькими) с отрицательно заряженными NV-центрами на его торце. Для развития технологии оптомикроволноводного зондирования необходима оптимизация параметров, как самих оптических волокон, так и системы доставки СВЧ-излучения, что напрямую приведет к технологичности и миниатюризации зонда, улучшения степени локализации оптического и СВЧ-полей на алмазной частице, определяющей чувствительность зонда и его степень его воздействия на измеряемую систему. Также, задача изготовления зонда является существенной самой по себе, так как требует поиска технологии формирования проводящей СВЧ-линии на оптическом волокне существенной длины.Creating a more compact optic microwave interface is extremely important, as it will significantly expand the experimental capabilities of diamond photonics, magnetic field measurements in hard-to-reach areas, fiber temperature measurement methods and, in particular, create a useful tool for neurophotonics. The present invention includes the implementation of a universal device that combines the ability to measure temperature and magnetic field in endoscopic mode with high spatial resolution based on an optical fiber with an integrated microwave delivery channel with diamond microparticles (with one or more) with negatively charged NV centers on his butt In order to develop the technology of optic microwave sensing, it is necessary to optimize the parameters of both the optical fibers themselves and the microwave radiation delivery system, which will directly lead to manufacturability and miniaturization of the probe, improving the degree of localization of the optical and microwave fields on the diamond particle, determining the sensitivity of the probe impacts on the measured system. Also, the task of manufacturing the probe is essential in itself, since it requires searching for a technology for forming a conductive microwave line on an optical fiber of substantial length.
Техническим результатом является создание компактного интегрального оптоволоконного квантового сенсора с каналом доставки СВЧ-излучения для термометрии и магнитометрии, для измерений в эндоскопическом режиме, обеспечивающего надежные и эффективные измерения и температуры и магнитного поля, а в некоторых интерпретациях, позволяющий получать двумерные карты распределения температуры и магнитного поля с высоким пространственным разрешением.The technical result is the creation of a compact integrated fiber optic quantum sensor with a delivery channel of microwave radiation for thermometry and magnetometry, for measurements in the endoscopic mode, providing reliable and efficient measurements of both temperature and magnetic field, and in some interpretations, allowing to obtain two-dimensional maps of temperature and magnetic fields with high spatial resolution.
Технический результат достигается тем, что интегральный оптоволоконный квантовый сенсор с каналом доставки СВЧ-излучения для термо- и магнитометрии, содержащий оптический световод с закрепленным на его торце хотя бы одним кристаллом алмаза с азото-замещенными вакансиями, двухпроводную металлическую СВЧ-линию на поверхности оптического световода, изогнутую в форме незамкнутого кольца вокруг торца оптического световода, металлическая СВЧ-линия содержит субмикронный металлический адгезионный слой на границе с оптическим световодом и слой из металла с высокой проводимостью толщиной хотя бы 2 мкм на поверхности металлического адгезионного слоя, металл с высокой проводимостью выбран из группы, содержащей серебро, медь. Оптический зонд с интегрированной СВЧ-линией предназначен для локальных измерений, в том числе и труднодоступных местах. Для этого СВЧ-линия на поверхности оптического световода одновременно должна быть надежно закреплена на поверхности оптического световода и должна хорошо передавать СВЧ-сигнал. Предпочтительными проводниками для передачи СВЧ-поля являются металлы с низким сопротивлением, такие как медь и серебро. Эти металлы, однако, не проявляют достаточной адгезии к поверхности очищенного кварцевого волокна. Поэтому, на волокне был сформирован дополнительный промежуточный металлический адгезионный слой. Субмикронный металлический адгезионный слой обеспечивает надежность крепления металлической двухпроводной СВЧ-линии к поверхности оптического волокна. Слой металла с высокой проводимостью толщиной хотя бы 2 мкм на поверхности адгезионного слоя обеспечивает надежную передачу СВЧ сигнала. Толщина слоя металла для СВЧ-линии должна быть не менее 2 мкм (толщины скин-слоя для СВЧ-волны).The technical result is achieved by an integrated fiber optic quantum sensor with a microwave delivery channel for thermo- and magnetometry containing an optical fiber with at least one diamond crystal with nitrogen-substituted vacancies attached to its end, a two-wire metal microwave line on the surface of the optical fiber , bent in the form of an open ring around the end of the optical fiber, the metal microwave line contains a submicron metal adhesive layer at the interface with the optical fiber and a layer of high conductivity metal with a thickness of at least 2 μm on the surface of the metal adhesive layer, the high conductivity metal is selected from the group containing silver, copper. The optical probe with an integrated microwave line is designed for local measurements, including hard-to-reach places. For this, the microwave line on the surface of the optical fiber at the same time must be securely fastened to the surface of the optical fiber and must transmit the microwave signal well. Preferred conductors for transmitting microwave fields are low resistance metals such as copper and silver. These metals, however, do not show sufficient adhesion to the surface of the purified quartz fiber. Therefore, an additional intermediate metal adhesion layer was formed on the fiber. The submicron metal adhesive layer ensures reliable attachment of the metal two-wire microwave line to the surface of the optical fiber. A layer of metal with high conductivity with a thickness of at least 2 microns on the surface of the adhesive layer ensures reliable transmission of the microwave signal. The thickness of the metal layer for the microwave line must be at least 2 μm (the thickness of the skin layer for the microwave wave).
Металл металлического адгезионного слоя выбран из группы, содержащей никель, хром, титан. Эти металлы обеспечивает достаточную адгезию для металлической СВЧ-линии к поверхности оптического световода.The metal of the metal adhesion layer is selected from the group consisting of nickel, chromium, and titanium. These metals provide sufficient adhesion for the metal microwave line to the surface of the optical fiber.
Металлический адгезионный слой является напыленным слоем металла, сформированным методом магнетронного напыления. Слой из металла с высокой проводимостью является напыленным слоем металла, нанесенным методом магнетронного напыления. Первый слой металла, обеспечивающий хорошую адгезию с диэлектрическим материалом волновода, и второй слои металла, являющийся рабочим слоем, сформированы методом магнетронного напыления. Метод магнетронного напыления позволяет наносить различные слои металла на диэлектрик, точно контролируя толщину наносимого слоя, с получением высокого качества поверхности. Нанесение металлических покрытий методом магнетронного напыления на оптическое волокно незначительно увеличивает их размер, особенно по сравнению с закреплением на их поверхности металлических проволочек.The metal adhesive layer is a sputtered metal layer formed by magnetron sputtering. A layer of metal with high conductivity is a sprayed metal layer deposited by magnetron sputtering. The first metal layer, which provides good adhesion with the dielectric material of the waveguide, and the second metal layer, which is the working layer, are formed by magnetron sputtering. The method of magnetron sputtering allows you to apply different layers of metal on the dielectric, precisely controlling the thickness of the applied layer, to obtain high surface quality. The application of metallic coatings by magnetron sputtering on an optical fiber slightly increases their size, especially as compared with the fixing of metal wires on their surface.
Двухпроводная металлическая СВЧ-линия, изогнутая в форме незамкнутого кольца вокруг торца оптического световода, сформирована способом лазерной фотолитографии. Получение двухпроводной линии из заготовки требует удаления части слоя меди для формирования проводящей структуры: двух токоведущих дорожек и антенны в форме незамкнутого кольца на торце волокна. Лазерная фотолитография является предпочтительным методом для изготовления тонких металлических полос.The two-wire metal microwave line, bent in the form of an open ring around the end of the optical fiber, is formed by the method of laser photolithography. Obtaining a two-wire line from the workpiece requires removing a part of the copper layer to form a conductive structure: two conductive paths and an antenna in the form of an open ring at the fiber end. Laser photolithography is the preferred method for making thin metal strips.
Оптический световод является микроструктурированным оптическим волокном. Применение микроструктурированного оптического волокна со специальными спланированными структурами оболочки обеспечивает высокую числовую апертуру волоконного сенсора и большую эффективность сбора рассеянного сигнала флуоресценции.Optical light guide is a microstructured optical fiber. The use of a microstructured optical fiber with special planned envelope structures provides a high numerical aperture of the fiber sensor and greater collection efficiency of the scattered fluorescence signal.
Оптический световод является многоканальным оптическим волокном. Применение многоканального оптического волокна позволяет разместить на торце волокна более одного микро- или нанокристалла алмаза, что принципиально позволяет проводить измерение магнитного поля и температуры в нескольких точках одновременно, и обеспечивает построение двумерных построений распределения магнитного поля и/или температуры без сканирования зонда.Optical light guide is a multichannel optical fiber. The use of a multichannel optical fiber allows you to place more than one micro or nanocrystal diamond at the fiber end, which basically allows you to measure the magnetic field and temperature at several points simultaneously, and provides a two-dimensional construction of the distribution of the magnetic field and / or temperature without scanning the probe.
На Фиг. 1 представлена схема устройства на основе микро- и наночастиц алмаза с центрами окраски и гибридного оптического/СВЧ-зонда для локальной эндоскопометрии температуры и магнитного поляFIG. 1 shows a diagram of a device based on micro- and nanoparticles of diamond with color centers and a hybrid optical / microwave probe for local temperature and magnetic field endosometry
На Фиг. 2 представлена схема электронных уровней и спектр флуоресценции NV-центра, поясняющие физические принципы оптической регистрации в NV-центрах.FIG. 2 shows the scheme of electronic levels and the fluorescence spectrum of the NV center, explaining the physical principles of optical recording in NV centers.
На Фиг. 3 представлены схемы и сечения оптоволоконных сенсоров с каналом доставки СВЧ-излучения. (1) - схема проволочной двухпроводной линии; (2) - сечение проволочной двухпроводной линии, (3) - схема интегрированной двухпроводной линии; (4) - сечение интегрированной двухпроводной линии.FIG. 3 shows diagrams and cross sections of fiber-optic sensors with a microwave delivery channel. (1) - wire wire circuit diagram; (2) - cross-section of a wire two-wire line, (3) - scheme of an integrated two-wire line; (4) - cross-section of the integrated two-wire line.
На Фиг. 4 изображено очищенное кварцевое волокно с диаметром оболочки 125 мкм с напыленным металлическим слоем меди толщиной порядка 5 мкм (1) и с нанесенным многослойным медным покрытием с диэлектрическим слоем (2); подобная структура возможна для создания коаксиального волновода.FIG. 4 shows a purified quartz fiber with a shell diameter of 125 μm with a deposited metallic copper layer with a thickness of about 5 μm (1) and with a deposited multilayer copper coating with a dielectric layer (2); Such a structure is possible to create a coaxial waveguide.
На Фиг. 5 представлены: (А) образец оптоволокна диаметром 145 мкм, покрытый фоторезистом CRC POSITTV20 до экспонирования; (Б) образец волокна с проэкспонированной линией (справа).FIG. 5 shows: (A) a sample of an optical fiber with a diameter of 145 μm, coated with CRC POSITTV20 photoresist prior to exposure; (B) Exposed fiber sample (right).
На Фиг. 6 представлена фотография установки для измерений температуры и магнитного поля в мозге животного in-vivo с помощью интегрального оптоволоконного квантового сенсора.FIG. 6 shows a photograph of an installation for measuring temperature and magnetic field in the brain of an animal in-vivo using an integrated fiber optic quantum sensor.
Наш подход к изготовлению СВЧ-линии передачи микроволнового излучения направлен на увеличение компактности, функциональности и технологичности зонда за счет формирования линии передачи излучения непосредственно на поверхности оптического волокна. Обращение к технологичным методам нанесения металлических покрытий, а именно к магнетронному напылению, дает возможность провести металлизацию диэлектрического волокна для использования в качестве заготовки интегрированной двухпроводной линии, формируемой методом маскирования и химического травления проводящей структуры двухпроводной линии. Применение высокоточной технологии магнетронного напыления для нанесения покрытий позволяет предельно уменьшать толщины наносимых слоев вплоть до предельно возможных, определяемых толщиной скин-слоя проводника.Our approach to the manufacture of microwave transmission lines of microwave radiation is aimed at increasing the compactness, functionality and manufacturability of the probe by forming a transmission line of radiation directly on the surface of the optical fiber. Appeal to the technological methods of applying metal coatings, namely, magnetron sputtering, makes it possible to carry out the metallization of dielectric fiber for use as a billet of an integrated two-wire line formed by the method of masking and chemical etching of the conducting structure of a two-wire line. The use of high-precision technology of magnetron sputtering for the deposition of coatings allows us to extremely reduce the thickness of the applied layers up to the maximum possible, determined by the thickness of the skin layer of the conductor.
С помощью методики магнетронного напыления можно создавать слои металла различной толщины - от субмикронов до десятков микрометров, но достаточно слоя толщиной порядка нескольких микрометров. Толщина скин-слоя меди составляет 1,2 мкм для частоты поля около 3 ГГц. Слой медного проводника, равный двум-трем толщинам скин-слоя, нанесенный на адгезионный металлический слой, увеличит диаметр зонда не более чем на 10 мкм. Слой в две-три толщины скин-слоя наносят для надежности работы системы. Так, можно достичь высокой степени миниатюризации системы доставки СВЧ-излучения на оптомикроволноводном зонде.Using the technique of magnetron sputtering, you can create layers of metal of various thicknesses - from submicrons to tens of micrometers, but a layer with a thickness of several micrometers is sufficient. The thickness of the skin layer of copper is 1.2 μm for a field frequency of about 3 GHz. A layer of copper conductor equal to two to three skin layer thickness deposited on the adhesive metal layer will increase the probe diameter by no more than 10 microns. A layer in two or three thicknesses of the skin layer is applied for the reliability of the system. Thus, it is possible to achieve a high degree of miniaturization of the microwave delivery system on an optical microwave probe.
Для изготовления интегрального оптоволоконного квантового сенсора были выбраны хром для первого слоя металла и медь для второго слоя металла. Напыление субмикронного адгезионного подслоя хрома проводится для повышения адгезии медных проводящих покрытий к кварцевой подложке.For the manufacture of an integral fiber quantum sensor, chromium was chosen for the first metal layer and copper for the second metal layer. Sputtering of the submicron adhesive chromium underlayer is carried out to increase the adhesion of the copper conductive coatings to the quartz substrate.
Образцы оптоволокна с нанесенным слоем меди далее использовались для изготовления зондов с двухпроводной передающей СВЧ-линией, схематическое изображение зонда представлено на Фиг. 3(3). Получение двухпроводной линии из заготовки требует удаления части слоя меди для формирования проводящей структуры: двух токоведущих дорожек и антенны в форме незамкнутого кольца на торце волокна. Для создания проводящей СВЧ линии применялся подход создания защитной маски на основе фотолитографии с прямой засветкой лазерным излучением, и дальнейшем травлением проводящей структуры, Очевидно, что адаптация литографии к волоконной подложке оптомикроволноводного зонда длиною порядка нескольких десятков сантиметров требует иного подхода как к нанесению фоторезиста, так и к самому формированию защитной маски. Основой разрабатываемой технологии изготовления двухпроводной линии является протяжка оптического волокна через рабочую зону нанесения фоторезиста.Copper-coated fiber samples were then used to fabricate probes with a two-wire microwave transmission line, a schematic of the probe is shown in FIG. 3 (3). Obtaining a two-wire line from the workpiece requires removing a part of the copper layer to form a conductive structure: two conductive paths and an antenna in the form of an open ring at the fiber end. To create a conductive microwave line, an approach was used to create a protective mask based on photolithography with direct illumination by laser radiation and further etching the conductive structure. to the very formation of a protective mask. The basis of the developed technology for manufacturing a two-wire line is the drawing of optical fiber through the working area of photoresist application.
На Фиг. 4 изображено очищенное кварцевое волокно с диаметром оболочки 125 мкм с напыленным металлическим слоем меди толщиной порядка 5 мкм (Фиг. 4(1)) и с нанесенным многослойным медным покрытием с диэлектрическим слоем (Фиг. 4(2)). Такая структура возможна для создания коаксиального СВЧ волновода.FIG. 4 shows a purified quartz fiber with a shell diameter of 125 μm with a deposited metal layer of copper with a thickness of about 5 μm (Fig. 4 (1)) and with a multi-layer copper coating coated with a dielectric layer (Fig. 4 (2)). Such a structure is possible to create a coaxial microwave waveguide.
Образцы оптоволокна с нанесенным слоем меди пригодны для дальнейшего изготовления зондов с двухпроводной передающей СВЧ-линией. Получение двухпроводной линии из заготовки требует удаления части слоя меди для формирования проводящей структуры: двух токоведущих дорожек и антенны на торце волокна. В ходе выполнения работы была использована технологии, основанные на химическом травлении и фотолитографию с прямой засветкой лазерным излучением.Samples of fiber with a deposited layer of copper are suitable for the further manufacture of probes with a two-wire transmitting microwave line. Obtaining a two-wire line from the workpiece requires the removal of a part of the copper layer to form a conductive structure: two conductive paths and an antenna at the fiber end. In the course of the work, technologies based on chemical etching and photolithography with direct illumination by laser radiation were used.
Очевидно, что адаптация литографии к волоконной подложке оптомикроволноводного зонда длиною порядка нескольких десятков сантиметров требует иного подхода, относительно плоских поверхностей, как к нанесению фоторезиста, так и к самому формированию защитной маски. Основой разработанной технологии изготовления защитной маски и далее непосредственно двухпроводной линии является протяжка оптического волокна через рабочую зону, в которой происходит необходимая часть технологического процесса. Нанесение фоторезиста на волоконную подложку проводилось методом протяжки оптического волокна через ванну с фоторезистом. Был подобран негативный фоторезист Фраст-М ФН-11-С-ФД при скоростях вытяжки порядка нескольких см/с, что обеспечило необходимую толщину фоторезиста порядка единиц микрометров. Далее был использован позитивный фоторезист CRC POSITIV20.It is obvious that the adaptation of lithography to the fiber substrate of an optically microwave probe with a length of the order of several tens of centimeters requires a different approach, relatively flat surfaces, both to the application of photoresist and to the formation of a protective mask itself. The basis of the developed manufacturing technology of the protective mask and then directly the two-wire line is the broaching of the optical fiber through the working area in which the necessary part of the technological process takes place. The application of the photoresist on the fiber substrate was carried out by the method of drawing the optical fiber through a bath with photoresist. A negative Fres-M FN-11-C-FD photoresist was selected at drawing speeds of the order of several cm / s, which ensured the necessary thickness of the photoresist on the order of units of micrometers. Next, a positive CRC POSITIV20 photoresist was used.
Для нанесения фоторезиста была спроектирована и собрана установка, с помощью которой было проведено покрытие обмедненных волоконных подложек фоторезистами ФН-11-С-ФД и CRC POSITIV20. Формирование маскирующего рисунка было проведено методами прямой лазерной литографии на протягиваемом оптоволокне, покрытом позитивным фоторезистом CRC POSITIV20. Экспериментальная установка включает в себя систему экспонирования оптического волокна с двух сторон и систему протяжки оптического волокна. Собранные блоки экспонирования позволяют проводить прямую лазерную засветку фоторезистов излучением с длиной волны 405 нм и размером пятна 15 мкм в рабочей зоне, а также наблюдать за процессом экспонирования с помощью ПЗС-камеры. Скорость протяжки волокна подбиралась для плотности энергии экспонирования 25 мДж/мм2, мощности экспонирующего излучения 5 мкВт и размера пятна 15 мкм и составила 20 мкм/с.For the application of photoresist, an installation was designed and assembled, with the help of which the coating of copper-coated fiber substrates was carried out using FN-11-C-FD and CRC POSITIV20 photoresists. The formation of a masking pattern was carried out using direct laser lithography on an extruded optical fiber coated with a positive CRC POSITIV20 photoresist. The experimental setup includes an optical fiber exposure system on both sides and an optical fiber drawing system. The assembled exposure units allow direct laser illumination of photoresists with radiation with a wavelength of 405 nm and a spot size of 15 μm in the working area, as well as to observe the process of exposure using a CCD camera. The fiber drawing speed was chosen for an exposure energy density of 25 mJ / mm 2 , an exposure radiation power of 5 μW and a spot size of 15 μm and was 20 μm / s.
На Фиг. 5 представлен результат травления экспонирования волокна, покрытого фоторезистом. (Фиг. 5(1)) - образец оптоволокна диаметром 145 мкм, покрытый фоторезистом CRC POSITIV20 до экспонирования; (Фиг. 5(2)) - образец волокна с проэкспонированной линией.FIG. 5 shows the result of etching the exposure of a photoresist coated fiber. (Fig. 5 (1)) - sample of optical fiber with a diameter of 145 μm, coated with CRC POSITIV20 photoresist prior to exposure; (Fig. 5 (2)) - fiber sample with an exposed line.
Для демонстрационных экспериментов был изготовлен оптомикроволноводный зонд длиной 20 см на базе оптического волокна со ступенчатым показателем преломления, диаметром сердцевины 200 мкм, числовой апертурой 0,22 и толщиной двухпроводной линии 25 мкм. Первым адгезионным слоем был слой хрома. Слоем металла с высокой проводимостью был слой из меди. Для этого зонда было измерено распределение мощности СВЧ-поля вокруг торца волокна, где предполагается размещение квантового сенсора - частицы алмаза с отрицательно заряженными NV-центрами. Для демонстрации эффективности разработанного зонда с его помощью были проведены измерения температуры в живом животном in vivo. Алмаз диаметром от 30 мкм с ориентировочной концентрацией NV-центров 1017-1018 см-3 использовался в качестве сенсорного элемента разработанного зонда. С его помощью измерялась температура коры головного мозга живой неанастезированной мыши. Измерения проводились в ситуации вживления зонда в мозг свободноподвижной мыши, а также в наиболее распространенной ситуации зафиксированного под микроскопом животного. Проведенное измерение на живых животных показало работоспособность разработанного зонда, значительно расширяющего инструменты нейробиологических исследований. С помощью реализованного оптомикроволноводного зонда показана возможность измерений температуры в мозге живой мыши с точностью не хуже 0,1К и пространственным разрешением порядка 30 мкм, соответствующего размеру микрочастицы алмаза. В экспериментальных исследованиях была также показана возможность измерения магнитного поля с пространственным разрешением менее 30 мкм и чувствительностью не хуже 10 нТ/Гц1/2.For demonstration experiments, a 20 cm long optic microwave probe was manufactured on the basis of an optical fiber with a stepped refractive index, a core diameter of 200 μm, a numerical aperture of 0.22, and a two-wire line thickness of 25 μm. The first adhesive layer was a layer of chromium. The layer of metal with high conductivity was a layer of copper. For this probe, the power distribution of the microwave field around the fiber end was measured, where a quantum sensor is supposed to be placed - diamond particles with negatively charged NV centers. To demonstrate the effectiveness of the developed probe, it was used to measure the temperature in a living animal in vivo. Diamond with a diameter of 30 microns with an approximate concentration of NV-centers 10 17 -10 18 cm -3 was used as a sensor element of the developed probe. With it, the temperature of the cortex of a live, non-anesthetized mouse was measured. The measurements were carried out in the situation of implanting the probe into the brain of a free-moving mouse, as well as in the most common situation recorded under an animal microscope. The measurement of live animals showed the efficiency of the developed probe, which significantly expands the tools of neurobiological research. With the help of the implemented opto-microwave probe, the possibility of measuring the temperature in the brain of a living mouse with an accuracy of not less than 0.1 K and a spatial resolution of about 30 μm, corresponding to the size of a diamond microparticle, is shown. Experimental studies have also shown the possibility of measuring a magnetic field with a spatial resolution of less than 30 μm and a sensitivity of no worse than 10 nT / Hz 1/2 .
Полученные результаты обеспечивают базу для создания высокоэффективного сверхкомпактного квантового сенсора на основе микро- и наночастиц алмаза с азото-замещенными вакансиями и оптического световода с интегрированной на его поверхности СВЧ-линией для локальной эндоскопометрии температуры и магнитного поля. Возможные области применения разработанного оптомикроволноводного зонда простираются от задач квантовой физики до in vivo биовизуализации.The results provide a basis for creating a highly efficient, ultra-compact quantum sensor based on micro- and nanoparticles of diamond with nitrogen-substituted vacancies and an optical fiber with a microwave line integrated on its surface for local endoscopometry of temperature and magnetic field. Possible areas of application for the developed optic microwave probe range from the tasks of quantum physics to in vivo bioimaging.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018147357U RU190347U1 (en) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Integral fiber optic quantum sensor with microwave delivery channel for thermal and magnetometry |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018147357U RU190347U1 (en) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Integral fiber optic quantum sensor with microwave delivery channel for thermal and magnetometry |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU190347U1 true RU190347U1 (en) | 2019-06-28 |
Family
ID=67215858
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018147357U RU190347U1 (en) | 2018-12-27 | 2018-12-27 | Integral fiber optic quantum sensor with microwave delivery channel for thermal and magnetometry |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU190347U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114047556A (en) * | 2021-11-15 | 2022-02-15 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | Magnetic detection head and magnetic detection system based on diamond NV color center |
| WO2024041703A1 (en) * | 2022-08-24 | 2024-02-29 | Quantum Technologies Gmbh | Improved optical waveguide comprising a self-adjusting sensor element having nv centres and a small measuring volume, method for manufacturing said optical waveguide, and applications thereof |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100271016A1 (en) * | 2009-04-24 | 2010-10-28 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Microfiber Magnetometer |
| US20100308813A1 (en) * | 2007-12-03 | 2010-12-09 | President And Fellows Of Harvard College | High sensitivity solid state magnetometer |
| CN102193074A (en) * | 2011-03-15 | 2011-09-21 | 中国科学技术大学 | Magnetic-field measurement device and manufacturing method thereof as well as magnetic-field measurement method |
| RU2654967C1 (en) * | 2017-05-02 | 2018-05-23 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Method of measuring the characteristics of the magnetic field |
-
2018
- 2018-12-27 RU RU2018147357U patent/RU190347U1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100308813A1 (en) * | 2007-12-03 | 2010-12-09 | President And Fellows Of Harvard College | High sensitivity solid state magnetometer |
| US20100271016A1 (en) * | 2009-04-24 | 2010-10-28 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Microfiber Magnetometer |
| CN102193074A (en) * | 2011-03-15 | 2011-09-21 | 中国科学技术大学 | Magnetic-field measurement device and manufacturing method thereof as well as magnetic-field measurement method |
| RU2654967C1 (en) * | 2017-05-02 | 2018-05-23 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) | Method of measuring the characteristics of the magnetic field |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| FEDOTOV I.V. и др. "ELECTRON SPIN MANIPULATION AND READOUT THROUGH AN OPTICAL FIBER", SCIENTIFIC REPORTS, т.4, опубликовано 16 июля 2014 г., стр.5362. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114047556A (en) * | 2021-11-15 | 2022-02-15 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | Magnetic detection head and magnetic detection system based on diamond NV color center |
| CN114047556B (en) * | 2021-11-15 | 2024-01-30 | 中国电子科技集团公司第十三研究所 | Magnetic force detecting head and magnetic force detecting system based on diamond NV color center |
| WO2024041703A1 (en) * | 2022-08-24 | 2024-02-29 | Quantum Technologies Gmbh | Improved optical waveguide comprising a self-adjusting sensor element having nv centres and a small measuring volume, method for manufacturing said optical waveguide, and applications thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105158709B (en) | One kind is based on embedded NV‑The magnetic field measuring device of colour center diamond | |
| US8138756B2 (en) | Microfiber magnetometer | |
| Fang et al. | Remote-excitation surface-enhanced Raman scattering using propagating Ag nanowire plasmons | |
| Hartschuh et al. | Tip-enhanced optical spectroscopy | |
| RU190347U1 (en) | Integral fiber optic quantum sensor with microwave delivery channel for thermal and magnetometry | |
| US8661663B2 (en) | Method for manufacturing a multimodal neural probe | |
| US20160282427A1 (en) | Integrated optical nanoscale probe measurement of electric fields from electric charges in electronic devices | |
| Wickberg et al. | Three-dimensional micro-printing of temperature sensors based on up-conversion luminescence | |
| EP2981795A1 (en) | Nanometer scale quantum thermometer | |
| US11022752B2 (en) | Optical fibers having metallic micro/nano-structure on end-facet, and fabrication method, and application method thereof | |
| CN113678041A (en) | Defect center based sensor | |
| Fujiwara et al. | Manipulation of single nanodiamonds to ultrathin fiber-taper nanofibers and control of NV-spin states toward fiber-integrated λ-systems | |
| Webb et al. | Optimization of a diamond nitrogen vacancy centre magnetometer for sensing of biological signals | |
| US11774384B2 (en) | Spin defect magnetometry pixel array | |
| EP3373023A1 (en) | Sensor and method for its production and application | |
| Basu et al. | A needle probe to detect surface enhanced Raman scattering (SERS) within solid specimen | |
| US11559204B2 (en) | Contact-type endoscope SERS probe, and related methods | |
| Li et al. | A nanofabricated optoelectronic probe for manipulating and recording neural dynamics | |
| WO2007079411A2 (en) | Alignment, transportation and integration of nanowires using optical trapping | |
| Landowski et al. | Coherent remote control of quantum emitters embedded in polymer waveguides | |
| KR20220060854A (en) | Appratus for sensing temperature using diamond nitrogen vacancy sensor and method for fabricating the same | |
| Guo et al. | NV center pumped and enhanced by nanowire ring resonator laser to integrate a 10 μm-scale spin-based sensor structure | |
| Ruan et al. | Remote nanodiamond magnetometry | |
| CN113991284B (en) | Device for local microwave field and preparation method thereof | |
| Kumar et al. | Excitation of surface plasmon polariton modes with multiple nitrogen vacancy centers in single nanodiamonds |