WO2022210695A1 - ダイヤモンド光磁気センサ - Google Patents

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WO2022210695A1
WO2022210695A1 PCT/JP2022/015393 JP2022015393W WO2022210695A1 WO 2022210695 A1 WO2022210695 A1 WO 2022210695A1 JP 2022015393 W JP2022015393 W JP 2022015393W WO 2022210695 A1 WO2022210695 A1 WO 2022210695A1
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WO
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diamond
magneto
optical sensor
excitation light
optical
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PCT/JP2022/015393
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English (en)
French (fr)
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洋成 出口
夏生 辰巳
司 林
良樹 西林
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住友電気工業株式会社
日新電機株式会社
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Publication date
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Priority to EP22780906.8A priority patent/EP4318011A4/en
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    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01R33/32—Excitation or detection systems, e.g. using radio frequency signals
    • G01R33/323—Detection of MR without the use of RF or microwaves, e.g. force-detected MR, thermally detected MR, MR detection via electrical conductivity, optically detected MR

Definitions

  • This disclosure relates to a diamond magneto-optical sensor.
  • This application claims priority based on Japanese application No. 2021-059798 filed on March 31, 2021, and incorporates all the descriptions described in the Japanese application.
  • NV center A magneto-optical sensor using the NV center of diamond (hereinafter referred to as NV center) is known.
  • the NV center is excited with a wavelength of 532 nm (ie, green light), it emits fluorescence with a wavelength of 637 nm (ie, red light).
  • the emission intensity of fluorescence changes depending on the spin state, and the spin state changes due to magnetic resonance caused by a magnetic field applied to the NV center and microwaves or radio waves. Therefore, it can be used as a diamond magneto-optical sensor.
  • a diamond magneto-optical sensor consists of a diamond substrate containing NV centers, an optical system that transmits excitation light from a light source and irradiates the NV centers, and an optical system that collects fluorescence from the NV centers and transmits them to a photodetector. It consists of a system and a waveguide that transmits microwaves from a power supply and irradiates them to the NV center.
  • Non-Patent Document 1 discloses a configuration in which a diamond sensor is mounted on a coplanar waveguide and microwaves are irradiated.
  • the shape of the diamond substrate is a rectangular parallelepiped, the excitation light is irradiated from the side of the diamond substrate, and the fluorescent light is collected from the top of the diamond substrate.
  • a diamond magneto-optical sensor includes a diamond having a color center with electron spins, and a reflective surface that reflects excitation light that is propagated through an optical system and enters the diamond. The surface reflects and concentrates the radiation emitted from the color centers excited by the excitation light toward the optical system.
  • a diamond magneto-optical sensor includes a diamond having a color center with electron spins, a minute portion that allows excitation light propagated through an optical system to enter the inside of the diamond, and incident light from the minute portion.
  • a reflective surface that reflects the emitted light emitted from the color center excited by the excited excitation light and converges the light in the direction of the light receiving optical system that guides it to the light receiving element, and the reflective surface has an area larger than the minute portion. Radiated light emitted from the same position in different directions is guided to the light receiving optical system through a plurality of optical paths.
  • FIG. 1 is a graph showing light transmittance for type Ib diamond.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the spin detection contrast ratio and the power density of excitation light.
  • FIG. 3 is a perspective view showing a diamond magneto-optical sensor according to an embodiment of the present disclosure;
  • FIG. 4 is a trihedral view showing the arrangement of the diamond magneto-optical sensor and the optical fiber shown in FIG.
  • FIG. 5 is a side view showing a configuration in which a condensing element is arranged between the diamond magneto-optical sensor and the optical fiber.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the optical path of the NV center excitation light incident on the diamond magneto-optical sensor.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the optical path of fluorescence emitted from the NV center of the diamond magneto-optical sensor.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing the optical path of fluorescence emitted from diamond without considering the refractive index.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the optical path of fluorescence emitted from diamond in consideration of the refractive index.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the optical path of fluorescence emitted from diamond when a reflecting mirror is provided.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the optical path of fluorescence emitted from a corner cube-shaped diamond.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of a diamond magneto-optical sensor according to the first modified example.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of a diamond magneto-optical sensor according to the first modified example.
  • FIG. 13 is a two-sided view showing the configuration of a diamond magneto-optical sensor according to the second modification.
  • FIG. 14 is a perspective view showing the configuration of a diamond magneto-optical sensor according to a second modified example different from that of FIG.
  • FIG. 15 is a side view showing the configuration of a diamond magneto-optical sensor according to the third modification.
  • FIG. 16 is a perspective view showing the configuration of a diamond magneto-optical sensor according to a fourth modification.
  • FIG. 17 is a perspective view showing the configuration of a diamond magneto-optical sensor according to the fifth modification.
  • FIG. 18 is a trihedral view showing the arrangement of the diamond magneto-optical sensor and the optical fiber shown in FIG. FIG.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing a diamond magneto-optical sensor having a different tip shape from the diamond magneto-optical sensor shown in FIG.
  • FIG. 20 is a perspective view showing the configuration of a diamond magneto-optical sensor according to the sixth modification.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing a diamond magneto-optical sensor having a different tip shape from the diamond magneto-optical sensor shown in FIG.
  • FIG. 22 is a perspective view showing the configuration of a diamond magneto-optical sensor according to the seventh modification.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view showing a diamond magneto-optical sensor having a different tip shape from the diamond magneto-optical sensor shown in FIG.
  • FIG. 20 is a perspective view showing the configuration of a diamond magneto-optical sensor according to the sixth modification.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing a diamond magneto-optical sensor having a different tip shape from the diamond magneto-optical sensor shown in FIG.
  • FIG. 24 is a perspective view showing the configuration of a diamond magneto-optical sensor according to an eighth modification.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view showing a diamond magneto-optical sensor having a different tip shape from the diamond magneto-optical sensor shown in FIG.
  • FIG. 26 is a schematic diagram showing an example of a configuration for spatial transmission of excitation light and fluorescence.
  • FIG. 27 is a schematic diagram showing the configuration of Example 1.
  • FIG. 28 is a perspective view showing the configuration of the microwave irradiation unit shown in FIG. 27.
  • FIG. FIG. 29 is a graph showing experimental results.
  • FIG. 30 is a graph showing comparison results.
  • FIG. 31 is a schematic diagram showing the configuration of the second embodiment.
  • An optical system that transmits the excitation light from the light source and irradiates the NV center irradiates the excitation light to initialize the spin state of the NV center and read the subsequent change.
  • the optical system that collects fluorescence from the NV center and transmits it to the photodetector collects fluorescence that changes according to the spin state of the NV center.
  • the efficiency of concentrating the fluorescence emitted from the NV center of diamond, the efficiency of absorption of the excitation light that excites the NV center, and the irradiation power density of the excitation light can be improved.
  • Each subject will be specifically described below.
  • the fluorescence collection rate from the NV center is at most several percent. Remains at a low degree of efficiency.
  • the following formula 7 is known as a theoretical formula for the sensitivity ⁇ B (that is, the resolution of the detected magnetic field B) of the diamond magneto-optical sensor.
  • Equation 7 ⁇ is the gyromagnetic ratio (that is, a constant), which is close to the electron gyromagnetic ratio (1.76 ⁇ 10 11 rad/s/T).
  • ⁇ is the fluorescence detection efficiency, that is, the light collection efficiency, which remains at several percent as described above.
  • C is the spin-detection contrast ratio (ie, red-light intensity reduction rate), which will be described later.
  • N is the number of negatively charged NV centers present in the area where the excitation light is applied and the fluorescence is collected.
  • T2 is the transverse relaxation time of the electron spin.
  • excitation light absorption efficiency In order to initialize the spin state of the NV center and read the subsequent change, excitation light with a wavelength of 532 nm is irradiated.
  • a green light semiconductor laser or a YAG double wave solid-state laser As the excitation light source, a green light semiconductor laser or a YAG double wave solid-state laser is easy to use. Diamonds are classified according to the presence or absence of impurities and the type of impurities. Of these, type Ib, which contains nitrogen atoms as impurities (that is, has an NV center), appears yellow and has low transmittance among diamond types.
  • the light transmittance for type Ib diamond is shown in FIG. The vertical axis represents transmittance (%) and the horizontal axis represents wavelength ( ⁇ m). In FIG.
  • the scale of the horizontal axis differs across the wavelength of 1.0 ⁇ m.
  • type Ib diamond transmits green light with a wavelength of 532 nm (that is, 0.532 ⁇ m) to some extent, so the absorption length required for the diamond to absorb light exceeds several millimeters. If the diamond substrate has a short optical path length (for example, a thin thickness), most of the excitation light is transmitted through the substrate, resulting in poor absorption efficiency of the excitation light.
  • the relationship between the spin detection contrast ratio (that is, the reduction rate of the red light luminance) and the power density of the excitation light was evaluated experimentally for NV centers formed in a type Ib diamond substrate. The results are shown in FIG. In FIG. 2, the vertical axis represents the spin detection contrast ratio, and the horizontal axis represents the power density of the excitation light. As can be seen from FIG. 2, in order to obtain high sensitivity as a magneto-optical sensor, it is necessary to irradiate the excitation light with a power density of 20 mW/ mm2 or more in order to increase the spin detection contrast ratio to 0.06 or more. I found out.
  • the relationship between the response speed (specifically, the time constant) to the frequency change of the microwave and the power density of the excitation light was evaluated by experiments. As a result, in order to obtain a high response speed as a magneto-optical sensor, it was found that it is necessary to increase the power density of the irradiating excitation light.
  • an object of the present disclosure is to provide a diamond magneto-optical sensor with high fluorescence collection efficiency and high excitation light absorption efficiency and power density.
  • a diamond magneto-optical sensor includes a diamond having a color center with electron spins, and a reflective surface that reflects excitation light that is propagated through an optical system and enters the diamond. and the reflective surface reflects the radiation emitted from the color center excited by the excitation light and converges it in the direction of the optical system.
  • the fluorescence light collection efficiency, the excitation light absorption efficiency, and the power density can be improved. Therefore, the responsiveness and sensitivity of the diamond magneto-optical sensor can be improved.
  • the excitation light is incident on the diamond from the output of the optical fiber, and the reflective surface can focus the emitted light to the output of the optical fiber.
  • the fluorescence collection efficiency, the excitation light absorption efficiency, and the power density can be further improved. Therefore, the responsiveness and sensitivity of the diamond magneto-optical sensor can be further improved.
  • a diamond magneto-optical sensor includes a diamond having a color center with electron spins, a minute portion that allows excitation light propagated through an optical system to enter the diamond, a reflective surface that reflects the emitted light emitted from the color center excited by the excitation light incident from the minute portion and converges the light in the direction of the light receiving optical system that guides it to the light receiving element; Radiated light emitted from the same position in different directions is guided to the light-receiving optical system through a plurality of optical paths.
  • the fluorescence light collection efficiency, the excitation light absorption efficiency, and the power density can be improved. Therefore, the responsiveness and sensitivity of the diamond magneto-optical sensor can be improved.
  • the excitation light may be incident on the diamond from the output portion of the optical fiber via a minute portion, and the emitted light may be focused on the output portion of the optical fiber via the reflecting surface.
  • the fluorescence collection efficiency, the excitation light absorption efficiency, and the power density can be further improved. Therefore, the responsiveness and sensitivity of the diamond magneto-optical sensor can be further improved.
  • the diamond magneto-optical sensor may further include a member that encloses diamond and transmits excitation light and radiation light, and the member may be formed with a reflecting surface.
  • the reflective surface may be formed of diamond.
  • the reflective surface may be formed on a member containing diamond.
  • a member containing diamond As a result, only the reflective surface is processed on a member that is easier to process than diamond, and the excitation light can be easily focused on the diamond.
  • a material having a refractive index closer to that of diamond as a member it is possible to maintain a large refractive index difference with the atmosphere, facilitate the incidence of excitation light on the diamond, and reduce the critical angle on the reflective surface.
  • a compact sensor with high reflection efficiency can be formed.
  • the reflective surface may include a curved surface or a plurality of planes for focusing.
  • the focal point may be a point where two or more different optical paths converge at a position closer than the distance between the two optical paths incident on the diamond, and does not have to be a so-called strict optical focal point.
  • the diamond may have a flat surface and a spherical crown, and the reflective surface may be formed by the spherical crown. This makes it easier to design the shape of a diamond with high fluorescence collection efficiency.
  • the diamond may have two crowns, and the reflecting surface may be formed by the first of the two crowns. This makes it easier to design the shape of a diamond with high fluorescence collection efficiency.
  • the diamond may be formed into a polyhedron, and the reflective surface may be formed of multiple faces of the polyhedron. This facilitates the production of diamond with high fluorescence collection efficiency.
  • the reflective surface may have a flat surface, and the angle formed by the surface perpendicular to the incident axis of the excitation light and the flat surface on the incident side of the excitation light may be 20° or more and 70° or less. . This makes it possible to realize a diamond with a high efficiency of condensing fluorescence.
  • the angle formed by the vertical plane and the plane may be 30° or more and 50° or less. This makes it possible to realize a diamond with a higher fluorescence collection efficiency.
  • the diamond may have corner cubes. This makes it possible to realize a diamond with a higher efficiency of condensing fluorescence.
  • the member containing the diamond may have a corner cube. This makes it possible to realize a diamond with a higher efficiency of condensing fluorescence.
  • the optical system includes an optical fiber, and the size of the diamond may be 1/3 or more and 3 or less times the core diameter of the optical fiber.
  • the diamond can be efficiently irradiated with the excitation light transmitted through the optical fiber, and the fluorescence emitted from the diamond can be efficiently injected into the optical fiber.
  • the optical system includes an optical fiber, and the diamond may be larger than or equal to the size that inscribes a circle whose diameter is the core diameter of the optical fiber, and smaller than or equal to the size that circumscribes the circle.
  • the diamond can be efficiently irradiated with the excitation light transmitted through the optical fiber, and the fluorescence emitted from the diamond can be efficiently injected into the optical fiber.
  • the optical system includes an optical fiber and a lens, and the excitation light propagated through the optical fiber may be output from the lens and incident on the diamond magneto-optical sensor, and the reflective surface may emit light from the color center.
  • the emitted light may be focused onto a lens, the magnification of the lens may be the reciprocal of the numerical aperture of the optical fiber, and the size of the diamond may be the product of the core diameter of the optical fiber and the numerical aperture. may be in the range of 80% or more and 120% or less.
  • a diamond magneto-optical sensor 100 is made of diamond including NV centers.
  • the diamond magneto-optical sensor 100 is formed in a tetrahedron.
  • the four points A, B, C and D represent the vertices of a tetrahedron.
  • the X, Y and Z axes are indicated along sides AD, BD and CD respectively.
  • Lengths a, b and c represent the lengths of sides AD, BD and CD, respectively.
  • Angle ⁇ represents the angle formed by side AD and side BD.
  • the angle ⁇ represents the angle formed by the side BD and the side CD.
  • the angle ⁇ represents the angle formed by the side CD and the side AD.
  • the arrangement of the crystal orientation of the diamond magneto-optical sensor 100 is arbitrary and is not necessarily defined by the X, Y and Z axes.
  • excitation light is incident perpendicularly to the surface ABC.
  • the NV center inside the diamond magneto-optical sensor 100 is irradiated with excitation light, and fluorescence is emitted.
  • Three surfaces (that is, surface ABD, surface BCD, and surface ACD) other than surface ABC (that is, incident surface) of diamond magneto-optical sensor 100 are polished to flat surfaces and mirrors (for example, metal plating, metal deposition, etc.) ) function as a reflective surface.
  • the omnidirectionally emitted fluorescent light is internally reflected by surfaces ABD, BCD and ACD of diamond magneto-optical sensor 100 and output from surface ABC so that it can be detected by a detector.
  • the angles ⁇ , ⁇ , and ⁇ of the diamond magneto-optical sensor 100 are arbitrary.
  • the angles ⁇ , ⁇ and ⁇ are preferably all 90°.
  • the shape of the diamond magneto-optical sensor 100 in that case is called a corner cube.
  • the sides a, b and c of the diamond magneto-optical sensor 100 preferably satisfy 0.5b ⁇ a ⁇ 1.5b and 0.5c ⁇ a ⁇ 1.5c.
  • the diamond magneto-optical sensor 100 when used to measure a magnetic field, the diamond magneto-optical sensor 100 is arranged such that the surface ABC (see FIG. 3) is the end of the optical fiber 102 (that is, the output portion of the excitation light). ) are arranged to face each other. Points A, B, C and D, which are vertices of the diamond magneto-optical sensor 100 shown in FIG. 3, are shown in the lower right of FIG.
  • the optical fiber 102 may be placed close to (including in contact with) the diamond magneto-optical sensor 100 .
  • the optical fiber 102 is preferably arranged such that its optical axis is perpendicular to the plane ABC (that is, the plane of incidence) of the diamond magneto-optical sensor 100 .
  • Light for example, a wavelength of about 532 nm
  • a light source for example, a laser diode
  • Fluorescence emitted from the NV center 104 is internally reflected by the reflective surfaces of the diamond magneto-optical sensor 100 (that is, the surfaces ABD, BCD, and ACD) as described above, and is output from the surface ABC to the optical fiber 102. is transmitted to the detector by
  • the angle ⁇ (degrees) formed between the reflecting surface 106 of the diamond magneto-optical sensor 100 (that is, the surface ABD) and the vertical surface 108 perpendicular to the optical axis of the optical fiber 102 is preferably 20 ⁇ 70 (45 ⁇ 25 ⁇ 45+25) because the critical angle for total reflection of a substance with a refractive index of 2.4 is 24.6 degrees.
  • the light incident on each reflective surface inside the diamond magneto-optical sensor 100 Light can be reflected forward of the diamond magneto-optical sensor 100 and toward the central axis of the optical fiber 102 . Therefore, it is possible to increase the proportion of the excitation light that is used to excite the NV centers and increase the proportion of emitted fluorescence that enters the optical fiber 102 . More preferably, 24.6 ⁇ 65.4 (45 ⁇ 20.4 ⁇ 45+20.4). More preferably, 38 ⁇ 52 (45 ⁇ (20.4/3) ⁇ 45+(20.4/3)).
  • the size of the diamond magneto-optical sensor 100 is preferably 1/3 or more and 3 or less times the core diameter (that is, core diameter) of the optical fiber 102 .
  • the size of the diamond magneto-optical sensor 100 means, for example, the size of the circumscribed circle of the surface facing the optical fiber 102 (that is, the incident surface of the excitation light).
  • the diamond magneto-optical sensor 100 preferably has a size larger than or equal to that inscribed in a circle whose diameter is the core diameter of the optical fiber 102 and smaller than or equal to a size that circumscribes the circle.
  • the excitation light transmitted by the optical fiber 102 can be efficiently incident on the diamond magneto-optical sensor 100 , and the fluorescence emitted from the diamond magneto-optical sensor 100 can be efficiently incident on the core of the optical fiber 102 .
  • a condensing element may be arranged between the diamond magneto-optical sensor 100 and the optical fiber 102 .
  • focusing elements 110 and 112 are positioned between diamond magneto-optical sensor 100 and optical fiber 102.
  • the excitation light transmitted by the optical fiber 102 and output from the end of the optical fiber 102 is condensed by the condensing elements 110 and 112 and irradiated onto the diamond magneto-optical sensor 100 .
  • Fluorescence emitted from the NV center of the diamond magneto-optical sensor 100 is condensed by condensing elements 112 and 110 , enters the end of the core of the optical fiber 102 , and is transmitted by the optical fiber 102 .
  • the magnification of the lens formed by the condensing elements 110 and 112 is preferably the reciprocal of the numerical aperture NA of the optical fiber 102 (that is, 1/NA).
  • the size of the diamond magneto-optical sensor 100 is preferably in the range of 80% to 120% of the product of the core diameter ⁇ of the optical fiber 102 and the numerical aperture NA (that is, ⁇ NA).
  • the present invention is not limited to this.
  • a light guide in which a plurality of optical fiber cores are bundled may be used instead of the optical fiber 102 .
  • FIG. 6 shows the optical path inside the diamond magneto-optical sensor 100 of excitation light.
  • excitation light (see arrows) transmitted from optical fiber 102 enters diamond magneto-optical sensor 100 and passes through a plurality of reflecting surfaces (ie surface ABD, surface BCD and surface ACD in FIG. 1). , the light is reflected inside the diamond magneto-optical sensor 100 and irradiated to the NV center 104 . That is, the NV center 104 receives pumping light from all directions including not only the pumping light from the front (that is, the optical fiber 102 side) but also the pumping light from the rear, up, down, left and right.
  • the irradiation power density of the excitation light incident on the NV center If the absorption is small along the optical path to reach a specific NV center, the irradiation power density of the excitation light can be increased up to 6 times compared to the case of only the excitation light from the front. Thereby, the sensitivity of the diamond magneto-optical sensor can be improved.
  • the optical path of the excitation light that is reflected by a plurality of reflective surfaces and enters the NV center 104 is longer than the optical path that directly enters the NV center 104 without being reflected (for example, about twice as long).
  • the optical path of the excitation light in the diamond magneto-optical sensor 100 can be made close to the absorption length of diamond, and the absorption efficiency of the excitation light (that is, the quantum efficiency of absorption) can be increased. That is, since the number of NV centers to be excited increases, the emitted fluorescence intensity increases. Thereby, the sensitivity of the diamond magneto-optical sensor can be improved.
  • FIG. 7 shows the optical path of fluorescence emitted from the NV center of the diamond magneto-optical sensor 100.
  • FIG. Referring to FIG. 7, inside diamond magneto-optical sensor 100, NV center 104 irradiated with excitation light emits fluorescence (see arrows) in all directions. Among them, the fluorescent light emitted forward (that is, toward the optical fiber 102 side) directly enters the end portion of the optical fiber 102 (that is, the excitation light output portion). On the other hand, the fluorescent light emitted backward, up, down, left, and right is reflected inside the diamond magneto-optical sensor 100 by a plurality of reflecting surfaces (that is, the surfaces ABD, BCD, and ACD in FIG. 1).
  • the light is output from the sensor 100 and enters the end of the optical fiber 102 (that is, the excitation light output portion). That is, the fluorescence emitted in all directions can be collected forward, and the fluorescence collection efficiency can be increased. Therefore, the sensitivity of the diamond magneto-optical sensor can be improved.
  • FIG. 8 shows the optical path of fluorescence emitted from inside a rectangular (for example, cubic) diamond.
  • diamond has a refractive index of 1 and is not considered.
  • FIG. 9 shows the optical path of fluorescence emitted from inside the diamond for a diamond of the same shape as in FIG. 8, given the diamond's refractive index n (ie about 2.5).
  • the angle .theta. (degrees) of the emitted light with respect to the central axis is in the range of 0.ltoreq..theta..ltoreq.17 (that is, the shaded area) is output from the observation plane (left side plane).
  • FIG. 10 shows the optical path of the fluorescence emitted from inside the diamond, considering the refractive index n of the diamond in the same way as in FIG.
  • the size of the diamond in the direction perpendicular to the viewing plane is set to 1/2 of that in FIG.
  • the angle .theta. (degrees) of the emitted light with respect to the central axis is in the range of 0.ltoreq..theta..ltoreq.17.
  • FIG. 11 shows the optical path of fluorescence emitted from inside a corner-cube diamond, considering the refractive index n of diamond.
  • the angle .theta. (degrees) of the emitted light with respect to the central axis is in the range of 0.ltoreq..theta..ltoreq.17.
  • the light emitted backward and laterally in the same angular range that is, the shaded area
  • the light emitted backward and laterally in the same angular range that is, the shaded area
  • the diamond magneto-optical sensor 100 can improve fluorescence collection efficiency, excitation light absorption efficiency, and power density. Therefore, a diamond magneto-optical sensor with improved responsiveness and sensitivity can be realized.
  • a diamond magneto-optical sensor is made of diamond has been described above, it is not limited to this. A member other than diamond may be included. A diamond magneto-optical sensor according to the first modification includes members other than diamond.
  • diamond magneto-optical sensor 120 has diamond 122 including NV centers and glass 124 enclosing diamond 122 .
  • the shape of the glass 124 is similar to that of the diamond magneto-optical sensor 100 shown in FIG. 3 (for example, a corner cube).
  • the conditions for the dimensions of the sides of the glass 124 (i.e. a, b and c shown in FIG. 3) and the angles (i.e. ⁇ , ⁇ and ⁇ shown in FIG. 3) are also given for the diamond magneto-optical sensor 100. should be the same as As described above, in FIG.
  • the excitation light incident on the incident surface 126 is reflected by the reflecting surface 128 inside the diamond magneto-optical sensor 120, and is concentrated inside the dashed-dotted line (hereinafter referred to as the excitation light increase area). do. Therefore, the size of the diamond 122 may be such that at least a portion of the diamond 122 exists inside the excitation light increasing area, and the shape of the diamond 122 is arbitrary.
  • the glass 124 By forming the glass 124 around the diamond, the amount of diamond can be reduced and the cost of the diamond magneto-optical sensor can be reduced. Further, since the glass may be cut into the shape of a corner cube, the diamond magneto-optical sensor can be manufactured more easily than when diamond is cut.
  • the member containing the diamond 122 is not limited to glass.
  • a resin may be used as long as it has a high transmittance for green light (that is, wavelengths of about 490 to 560 nm) and red light (that is, wavelengths of about 630 to 800 nm). Since the refractive index of the glass 124 is smaller than that of diamond, it is preferable to process the surface of the reflecting surface 128 flat and provide a mirror (for example, metal plating, metal vapor deposition, etc.).
  • the diamond magneto-optical sensor according to the second modification has a curved reflecting surface.
  • a diamond magneto-optical sensor 130 includes an NV center and has a plane incident surface 132 and a curved reflecting surface 134 .
  • the excitation light is incident on the incident surface 132 .
  • the reflective surface 134 is a curved surface connecting a focal point 136 such as a paraboloid or an ellipsoid.
  • the reflecting surface 134 may have a concave shape when viewed from the incident surface 132 side. If the reflecting surface 134 has a concave shape, the excitation light incident on the diamond magneto-optical sensor 130 from the incident surface 132 is reflected forward (that is, toward the incident surface 132) by the reflecting surface 134 inside the diamond magneto-optical sensor 130. .
  • the optical path of the excitation light is lengthened, and the absorption efficiency of the excitation light at the NV center can be increased. Fluorescence emitted from the NV center is reflected forward (that is, toward the incident surface 132 side) by the reflecting surface 134 inside the diamond magneto-optical sensor 130 , condensed, and output from the incident surface 132 . Therefore, fluorescence collection efficiency can be increased.
  • a diamond magneto-optical sensor 140 includes an NV center and has a plane incident surface 142 and a curved reflecting surface 144 .
  • the diamond magneto-optical sensor 140 is a sphere that does not include the center O and is obtained by cutting a sphere with a radius r along a plane that does not pass through the center O of the sphere.
  • Reflective surface 144 is a portion of a truncated spherical surface (ie, crown). The excitation light enters the diamond magneto-optical sensor 140 from the incident surface 142 .
  • the excitation light incident on the diamond magneto-optical sensor 140 is reflected forward (that is, toward the incident surface 142 ) by the reflecting surface 144 inside the diamond magneto-optical sensor 140 . Therefore, the optical path of the excitation light is lengthened, and the absorption efficiency of the excitation light at the NV center can be increased. Fluorescence emitted from the NV center is reflected forward (that is, to the incident surface 142 side) by the reflecting surface 144 inside the diamond magneto-optical sensor 140 , condensed, and output from the incident surface 142 . Therefore, fluorescence collection efficiency can be increased.
  • the lengths d and e shown in FIG. 14 it is preferred that r>d>3r/4 and 3r/2>e>r/2.
  • the length d is the diameter of the entrance surface 142 and the length e is the height of the spheroid (ie, the maximum vertical distance from the entrance surface 142 to the crown).
  • the diamond magneto-optical sensor according to the second modification may also be formed so as to include diamond including the NV center and glass enclosing it.
  • the diamond encapsulating glass is formed into the shape shown in FIG. 13 or 14 .
  • the diamond magneto-optical sensor according to the third modification has a curved incident surface.
  • a diamond magneto-optical sensor 150 includes an NV center and has a curved incident surface 152 and a curved reflecting surface 154 . Both the incident surface 152 and the reflecting surface 154 are spherical crowns, and the diamond magneto-optical sensor 150 has a shape in which two spherical segments are joined with a plane.
  • the excitation light enters the diamond magneto-optical sensor 150 from the incident surface 152 .
  • the excitation light incident on the diamond magneto-optical sensor 150 is reflected forward (that is, toward the incident surface 152 side) by the reflecting surface 154 inside the diamond magneto-optical sensor 150 .
  • the optical path of the excitation light is lengthened, and the absorption efficiency of the excitation light at the NV center can be increased. Fluorescence emitted from the NV center is reflected forward (that is, toward the incident surface 152 side) by the reflecting surface 154 inside the diamond magneto-optical sensor 150 , condensed, and output from the incident surface 152 . Therefore, fluorescence collection efficiency can be increased.
  • the reflective surface 154 is formed by two truncated spheres of radius r as shown in FIG. 14, r>d>3r/4 for lengths d and e shown in FIG. , and preferably 3r/2>e>r/2. If the diamond magneto-optical sensor 150 has such a shape, when the excitation light is incident on the incident surface 152 in parallel with the axis perpendicular to the joint surface of the incident surface 152 and the reflecting surface 154, the excitation light is detected as a diamond magneto-optical sensor. Light can be collected inside the sensor 150 .
  • the diamond magneto-optical sensor according to the third modification may also be formed so as to include diamond including the NV center and glass enclosing it.
  • the diamond encapsulating glass is formed into the shape shown in FIG.
  • a diamond magneto-optical sensor according to the fourth modification is a polyhedron having five or more faces.
  • a diamond magneto-optical sensor 160 includes an NV center and is formed into a triangular prism (that is, a pentahedron). etc.).
  • the excitation light enters the diamond magneto-optical sensor 160 from the incident surface 162 .
  • the excitation light incident on the diamond magneto-optical sensor 160 is reflected forward (that is, toward the incident surface 162 ) by a plurality of reflecting surfaces such as the reflecting surface 164 inside the diamond magneto-optical sensor 160 . Therefore, the optical path of the excitation light is lengthened, and the absorption efficiency of the excitation light at the NV center can be increased.
  • Fluorescence emitted from the NV center is reflected forward (i.e., toward the incident surface 162 side) by a plurality of reflecting surfaces such as the reflecting surface 164 inside the diamond magneto-optical sensor 160 and condensed, and is output from the incident surface 162. . Therefore, fluorescence collection efficiency can be increased.
  • the angle .delta. shown in FIG. 16 is preferably 90 degrees.
  • the incident surface 162 is preferably square, that is, two orthogonal sides having the same length h and i. Moreover, it is preferable that the lengths f, g, h and i satisfy the following relationship. g ⁇ (1/1.4 ⁇ 0.5) ⁇ f ⁇ g ⁇ (1/1.4+0.5) h ⁇ (1/1.4 ⁇ 0.5) ⁇ f ⁇ h ⁇ (1/1.4+0.5) i ⁇ (1/1.4 ⁇ 0.5) ⁇ f ⁇ i ⁇ (1/1.4+0.5)
  • the diamond magneto-optical sensor may be a polyhedron of hexahedron or more.
  • the curved reflection surface shown in FIGS. 13 and 14 may be a polyhedron approximated by a plurality of planes.
  • the diamond magneto-optical sensor according to the fourth modification may also be formed so as to include diamond including the NV center and glass enclosing it.
  • the diamond-containing glass is formed into a polyhedron of pentahedrons or more (for example, the triangular prism shown in FIG. 16).
  • a diamond magneto-optical sensor 400 is made of diamond including an NV center, and has a substantially triangular pyramid (specifically, a truncated triangular pyramid).
  • the diamond magneto-optical sensor 400 can be formed, for example, by cutting a portion including the vertex D from the diamond magneto-optical sensor 100 shown in FIG. 3 along a predetermined plane.
  • excitation light is applied to diamond magneto-optical sensor 400 by irradiating minute portion 402 using optical fiber 408 .
  • the excitation light is emitted from the optical fiber 408 perpendicularly to the plane of the minute portion 402 . Therefore, the excitation light emitted from the optical fiber 408 enters the diamond magneto-optical sensor 400 through the minute portion 402 .
  • Fluorescence is emitted from the NV center 104 by excitation light that has entered the diamond magneto-optical sensor 400 .
  • the emitted fluorescent light is reflected by reflecting surface 404 , output from output surface 410 , and enters optical fiber 102 . Fluorescence incident on the optical fiber 102 is transmitted by the optical fiber 102 to a detector.
  • the minute portion 402 is a portion having a smaller area than the reflecting surface 404, as long as it satisfies the optical incident condition to the diamond magneto-optical sensor 400, and does not have to be flat as described later.
  • the minute portion 402 preferably has a size of sub- ⁇ m or more, which is enough for laser light (that is, excitation light) to enter.
  • the position of the minute portion 402 is such that the radiated light (that is, fluorescence) from the NV center due to the excitation light incident on the diamond magneto-optical sensor 400 is reflected by the reflecting surface and concentrated toward the optical system that receives the radiated light. It is preferable to be in a position where it can be illuminated.
  • condensing means a function of concentrating light with a wide angle so that it is directed toward a target direction.
  • diamond magneto-optical sensor 420 has minute portion 422 and reflecting surface 424 .
  • the reflective surface 424 is substantially triangular pyramidal like the reflective surface 404 .
  • the shape of the minute portion 422 is not flat but a smooth curved surface. Therefore, as indicated by the solid line arrow, the excitation light incident on the minute portion 422 is mainly incident on the inside of the diamond magneto-optical sensor 420 . As indicated by the dashed arrow, the light incident on the portion other than the minute portion 422 (that is, the reflecting surface 424) is mainly reflected and cannot enter the diamond magneto-optical sensor 420.
  • the shape of the minute portion may not be flat, and may be any shape that allows the excitation light to enter the diamond magneto-optical sensor 420 . Fluorescence emitted from the NV center 104 by the excitation light incident on the diamond magneto-optical sensor 420 is reflected by the reflecting surface 424 and output from the side opposite to the incident side of the excitation light.
  • a diamond magneto-optical sensor 430 according to the sixth modification has a minute portion 432 and a reflecting surface 434, and the minute portion 432 and the reflecting surface 434 are formed as a smooth curved surface as a whole. there is Therefore, as indicated by the solid line arrow, the excitation light incident on the minute portion 432 is mainly incident on the inside of the diamond magneto-optical sensor 430 .
  • the light incident on the portion other than the minute portion 432 (that is, the reflecting surface 434) is mainly reflected and cannot enter the diamond magneto-optical sensor 430.
  • FIG. Fluorescence emitted from the NV center 104 by the excitation light incident on the diamond magneto-optical sensor 430 is reflected by the reflecting surface 434 and output from the side opposite to the incident side of the excitation light.
  • a diamond magneto-optical sensor 440 has a minute portion 442 and a reflecting surface 444, the reflecting surface 444 being a smooth curved surface and the minute portion 442 being a flat surface.
  • the optical paths of excitation light and fluorescence are the same as in FIG.
  • a diamond magneto-optical sensor 450 in the fifth and sixth modifications, the diamond magnetic sensor is entirely made of diamond, but the present invention is not limited to this.
  • a diamond magneto-optical sensor 450 according to the seventh modification includes glass 452 having minute portions 454 and reflecting surfaces 456 and diamond 122 .
  • a diamond magneto-optical sensor 450 includes diamond 122 including an NV center inside glass 452 as in FIG.
  • the shape of the glass 452 is the same shape as the diamond magneto-optical sensor 400 shown in FIGS. 17 and 18 (that is, a truncated triangular pyramid). Therefore, as indicated by the solid line arrow, the excitation light incident on the minute portion 454 is mainly incident on the inside of the glass 452 and is incident on the diamond 122 .
  • the light incident on the portion other than the minute portion 454 ie, the reflecting surface 456
  • the light incident on the portion other than the minute portion 454 is mainly reflected and cannot enter the interior of the glass 452 and is not incident on the diamond 122.
  • FIG. Fluorescence emitted from the NV center of the diamond 122 by the excitation light incident on the glass 452 is reflected by the reflecting surface 456 and output from the side opposite to the excitation light incident side.
  • diamond magneto-optical sensor 460 includes glass 462 having minute portion 464 and reflective surface 466 and diamond 122 .
  • a diamond 122 containing an NV center is encapsulated inside glass 462 .
  • the shape of the glass 462 is similar to that of the diamond magneto-optical sensor 420 shown in FIG. That is, the minute portion 464 is not flat but a smooth curved surface.
  • the optical paths of excitation light and fluorescence are the same as in FIG.
  • the diamond 122 may have any size as long as at least a portion of it exists inside the excitation light increasing area (that is, within the dashed line in FIG. 12), and the shape of the diamond 122 is arbitrary.
  • the amount of diamond can be reduced, and the cost of the diamond magneto-optical sensor can be reduced.
  • the diamond magneto-optical sensor can be manufactured more easily than when diamond is cut.
  • a diamond magneto-optical sensor 470 includes glass 472 having minute portions 474 and reflecting surfaces 476 and diamond 122 .
  • Glass 472 encapsulates diamond 122 containing NV centers.
  • the shape of the glass 472 is similar to that of the diamond magneto-optical sensor 430 shown in FIG. That is, the minute portion 474 of the glass 472 and the reflecting surface 476 are formed as a smooth curved surface as a whole. Therefore, as indicated by solid-line arrows, the excitation light incident on the minute portion 474 is mainly incident on the inside of the glass 472 and is incident on the diamond 122 .
  • light incident on portions other than the minute portion 474 (that is, the reflective surface 476 ) is mainly reflected and cannot enter the interior of the glass 472 and is not incident on the diamond 122 .
  • Fluorescence emitted from the NV center of the diamond 122 by the excitation light incident on the glass 472 is reflected by the reflective surface 476 and output from the side opposite to the incident side of the excitation light.
  • diamond magneto-optical sensor 480 includes glass 482 having minute portion 484 and reflective surface 486 and diamond 122 .
  • Glass 482 encapsulates diamond 122 containing NV centers.
  • the shape of the glass 482 is similar to that of the diamond magneto-optical sensor 440 shown in FIG.
  • the minute portion 484 is a smooth curved surface and the glass 482 is a flat surface.
  • the optical paths of excitation light and fluorescence are the same as in FIG.
  • the glass described above is preferably quartz glass from the viewpoint of light transmittance, ease of processing, and ease of handling. More preferably, the glass is a material that can transmit 90% or more of excitation light and fluorescent light and has a high refractive index. This is because the critical angle for total reflection becomes large on a glass reflecting surface (for example, the reflecting surface 456 in FIG. 22), and the amount of fluorescent light that can be collected increases. In addition, internal reflection is reduced at the interface between glass and diamond (for example, the interface between glass 452 and diamond 122 in FIG. 22), and light (ie, excitation light) easily penetrates inside the diamond.
  • a sensor unit can be configured using the diamond magneto-optical sensor described above. That is, the sensor unit includes, as described above, a diamond magneto-optical sensor including an NV center, an irradiation unit for irradiating the diamond magneto-optical sensor with excitation light, and a detector for detecting the radiated light from the NV center of the diamond magneto-optical sensor. and an optical waveguide for transmitting excitation light and emission light.
  • a sensor unit with fast responsiveness and high sensitivity can be realized.
  • a diamond magneto-optical sensor having a color center with electron spin may be used.
  • a color center having an electron spin is a center that forms a spin triplet state and emits light when excited, and NV centers are typical examples.
  • silicon-vacancy centers (ie Si-V centers), germanium-vacancy centers (ie Ge-V centers), and tin-vacancy centers (ie Sn-V centers) also have color with electron spin. Centers are known to exist. Therefore, a diamond magneto-optical sensor may be constructed by using diamond containing these instead of diamond containing NV centers.
  • excitation light and fluorescence are transmitted to the diamond magneto-optical sensor by an optical fiber, but it is not limited to this.
  • the excitation light and fluorescence may be spatially transmitted.
  • excitation light output from a light source 500 can be collimated by a collimating lens 502, reflected by a dichroic mirror 504, condensed by a collimating lens 506, and irradiated onto the diamond magneto-optical sensor 100. .
  • Fluorescence emitted from the NV center of the diamond magneto-optical sensor 100 is collimated by the collimating lens 506, passes through the dichroic mirror 504, is collected by the collimating lens 508, and is detected by the photodetector 510.
  • Type Ib diamond is used, and electrons are injected into it with an electron beam acceleration energy of 3 MeV and an electron beam dose of 3 ⁇ 10 18 /cm 2 . produced a diamond containing This was cut into a corner cube with a hypotenuse of 1 mm to fabricate a diamond magneto-optical sensor. Also, a diamond magneto-optical sensor was produced as a comparative example by cutting into a cube with one side of 1 mm.
  • a diamond magneto-optical sensor having an NV center was irradiated with excitation light using the measuring device having the configuration shown in FIG. 27, and the fluorescence intensity emitted from the NV center was measured.
  • the configuration (i.e., irradiation system) for irradiating the diamond magneto-optical sensor 210 with excitation light in the measurement apparatus includes a light source 200, a collimator lens 202, a dichroic mirror 204, a ball lens 206, and an optical fiber. 208.
  • a configuration (that is, an observation system) for observing fluorescence emitted from the diamond magneto-optical sensor 210 includes an optical fiber 208 , a ball lens 206 , a dichroic mirror 204 , an LPF (Long Pass Filter) 212 and a photodetector 214 .
  • a configuration for irradiating the diamond magneto-optical sensor 210 with microwaves includes a coaxial cable 220 , a microwave irradiation section 222 and a terminating resistor 224 .
  • An LD (laser diode) element (specifically, L515A1 manufactured by Thorlabs) was used as the light source 200 for generating excitation light to generate 5 mW green laser light (that is, excitation light).
  • the excitation light output from the light source 200 was condensed by the collimator lens 202 and then made incident on the dichroic mirror 204 .
  • LA1116-A manufactured by Thorlabs was used for the collimating lens 202, and SO6-RG manufactured by Suruga Seiki Co., Ltd. was used for the dichroic mirror 204.
  • the excitation light (that is, green light) incident on the dichroic mirror 204 is reflected by the dichroic mirror 204 .
  • the reflected light was condensed by a ball lens 206 , entered into an optical fiber 208 (specifically, a core), transmitted through the optical fiber 208 , and irradiated to a diamond magneto-optical sensor 210 .
  • an optical fiber 208 specifically, a core
  • For the ball lens 206 MS-08-4.35P1 (diameter 8 mm) manufactured by Opto Sigma was used.
  • An optical digital cable with a core diameter of ⁇ 0.9 mm was used as the optical fiber 208 .
  • the fluorescence incident on the optical fiber 208 was propagated through the optical fiber 208 , converted into parallel light by the ball lens 206 , and made incident on the dichroic mirror 204 .
  • the fluorescence (that is, red light) that has entered the dichroic mirror 204 is transmitted through the dichroic mirror 204 and enters the LPF 212 .
  • Fluorescence that passed through LPF 212 was detected by photodetector 214 .
  • the LPF 212 passes light of wavelengths equal to or greater than a predetermined wavelength, and cuts (for example, reflects) light of wavelengths smaller than a predetermined wavelength.
  • LPF212 For LPF212, LOPF-25C-593 manufactured by Opto Sigma was used. A photodiode (specifically, S6967 manufactured by Hamamatsu Photonics K.K.) was used for the photodetector 214 . Diamond's emission light is red light and passes through the LPF 212 , whereas the excitation light has a shorter wavelength and does not pass through the LPF 212 . This prevents the excitation light emitted from the light source 200 from being detected by the photodetector 214 and becoming noise, thereby reducing the detection sensitivity.
  • a photodiode specifically, S6967 manufactured by Hamamatsu Photonics K.K.
  • microwave irradiating portion 222 is a coplanar line, and conductors 302 and 304 are formed separately on the surface of electrically insulating flexible substrate 300 .
  • Conductors 302 and 304 were formed from copper foil and terminated at region 306 with a 50 ⁇ termination resistor 224 (see FIG. 27).
  • a diamond magneto-optical sensor 210 was placed in region 308 .
  • the frequency of the microwave irradiated to the diamond magneto-optical sensor 210 is changed in the range of 2.74 GHz to 2.94 GHz, and the diamond magneto-optical sensor 210 is irradiated with excitation light, and the generated fluorescence is observed with a photodetector. 214 output voltage was measured.
  • FIG. 29 shows the results of using corner-cube diamond as the diamond magneto-optical sensor 210 .
  • FIG. 30 shows the results of a comparative example using a flat diamond as the diamond magneto-optical sensor 210 .
  • the vertical axis is the voltage (V) representing fluorescence intensity, and the horizontal axis is the microwave frequency. Black circles are plotted measurement data.
  • the fluorescence intensity is about 2440 mV
  • the spin detection contrast ratio that is, the rate of decrease in red light intensity, which is the value obtained by dividing the valley size s in the graph by the fluorescence intensity
  • the signal strength multiplied by them will be approximately 50 mV.
  • the fluorescence intensity was approximately 520 mV, and a contrast ratio of approximately 0.3% was obtained.
  • the signal strength multiplied by them is approximately 1.7 mV. Therefore, by using the corner-cube diamond magneto-optical sensor, the fluorescence intensity could be increased by about 5 times, and the contrast ratio could be increased by about 6 times. Therefore, the signal strength could be significantly increased by a factor of about 30.
  • a diamond magneto-optical sensor was fabricated in the same manner as in Example 1. That is, using type Ib diamond, electrons are injected with an electron beam acceleration energy of 3 MeV and an electron beam dose of 3 ⁇ 10 18 /cm 2 , and then annealed at 800° C. for about 1 hour to form NV centers. Generated a diamond containing. This was cut into a corner cube with an oblique side of 1 mm, and a minute portion (that is, an incident portion of the excitation light to the diamond) was formed at the vertex portion to prepare a diamond magneto-optical sensor. Also, a diamond magneto-optical sensor was produced as a comparative example by cutting into a cube with one side of 1 mm.
  • the vertex (that is, a minute portion) of the diamond magneto-optical sensor having the NV center is irradiated with excitation light (see FIG. 18), and the fluorescence intensity emitted from the NV center is measured.
  • the configuration for irradiating diamond magneto-optical sensor 210 with excitation light (that is, irradiation system) of the measuring apparatus includes light source 200 and collimator lens 202 .
  • a configuration (that is, an observation system) for observing fluorescence emitted from the diamond magneto-optical sensor 210 includes an LPF 212 and a photodetector 214 .
  • a configuration (ie microwave system) for applying microwaves to the diamond magneto-optical sensor 210 includes a coaxial cable 220 , a ⁇ /4 transformer 520 and a ⁇ /4 open stub 522 .
  • Example 2 The same light source 200, collimating lens 202, and photodetector 214 as in Example 1 were used. Unlike Example 1, FGL590 manufactured by Thorlabs was used for LPF212.
  • the coaxial cable 220 a coaxial cable with a characteristic impedance of 50 ⁇ , which is the same as that of the first embodiment, is used.
  • the ⁇ /4 transformer 520 was composed of a microstrip line and its impedance was 20 ⁇ .
  • the ⁇ /4 open stub 522 was composed of two parallel lines and its impedance was 300 ⁇ .
  • the ⁇ /4 transformer 520 functions as an impedance converter, can accurately convert impedance between the coaxial cable 220 and the ⁇ /4 open stub 522 which is a resonator, and efficiently converts microwaves into diamond magneto-optical sensors. 210 could be irradiated.
  • Green light of 5 mW was irradiated as excitation light.
  • the spot of excitation light was narrowed down to a diameter of 20 ⁇ m, and the power density was set to 3 W/mm 2 .
  • a microwave of 1 W was swept in the frequency range from 2.74 GHz to 2.94 GHz to irradiate the diamond magneto-optical sensor 210 with excitation light, and the generated fluorescence was measured.
  • a response speed of 30 .mu.sec was obtained for both the diamond cut into the corner cubes and the diamond of the comparative example.
  • the photocurrent in the photodiode of the photodetector 214 which corresponds to the fluorescence intensity, was 10 ⁇ A for the comparative diamond, while 100 ⁇ A was obtained for the corner-cube cut diamond.

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Abstract

ダイヤモンド光磁気センサは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、光学系を介して伝搬され、ダイヤモンドの内部に入射する励起光を反射する反射面とを含み、反射面は、励起光により励起されたカラーセンタから放射される放射光を反射して光学系の方向に集光する。

Description

ダイヤモンド光磁気センサ
　本開示は、ダイヤモンド光磁気センサに関する。本出願は、２０２１年３月３１日出願の日本出願第２０２１－０５９７９８号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
　ダイヤモンドのＮＶ中心（以下、ＮＶセンタという）を用いた光磁気センサが知られている。ダイヤモンド中の炭素の置換位置に入った窒素と、その窒素に隣接する空孔から成るＮＶセンタは負に帯電すると、その基底状態は三重項状態（即ち、スピンＳがＳ＝１）になる。そのＮＶセンタを波長５３２ｎｍ（即ち緑色光）により励起すると波長６３７ｎｍ（即ち赤色光）の蛍光を発する。蛍光の発光強度はスピン状態により変化し、スピン状態はＮＶセンタに印加された磁界とマイクロ波又はラジオ波とによる磁気共鳴で変化するため、ダイヤモンド光磁気センサとして利用できる。
　ダイヤモンド光磁気センサは、ＮＶセンタを含有したダイヤモンド基板と、光源からの励起光を伝送してＮＶセンタに照射する光学系と、ＮＶセンタからの蛍光を集光して光検出器に伝送する光学系と、電源からのマイクロ波を伝送してＮＶセンタに照射する導波路から構成される。
　例えば、下記非特許文献１には、コプレーナ導波路にダイヤモンドセンサを載せてマイクロ波を照射する構成が開示されている。ダイヤ基板の形状は直方体であり、励起光はダイヤ基板の横から照射され、蛍光はダイヤ基板の上から集光される。
増山雄太、波多野雄治、岩崎孝之、波多野睦子、"コプレーナ導波路を用いた高感度マクロダイヤモンド磁力計"、第７９回応用物理学会秋季学術講演会講演予稿集（発行日：２０１８年９月５日）
　本開示のある局面に係るダイヤモンド光磁気センサは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、光学系を介して伝搬され、ダイヤモンドの内部に入射する励起光を反射する反射面とを含み、反射面は、励起光により励起されたカラーセンタから放射される放射光を反射して光学系の方向に集光する。
　本開示の別の局面に係るダイヤモンド光磁気センサは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、光学系を介して伝搬される励起光をダイヤモンドの内部に入射できる微小部分と、微小部分から入射した励起光により励起されたカラーセンタから放射される放射光を反射して、受光素子に導く受光光学系の方向に集光する反射面とを含み、反射面は、微小部分よりも大きな面積を持ち、同一位置から異なる方向に放射された放射光を、複数の光路により受光光学系まで導く。
図１は、Ｉｂ型ダイヤモンドに関する光の透過率を示すグラフである。 図２は、スピン検出コントラスト比と励起光のパワー密度との関係を示すグラフである。 図３は、本開示の実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサを示す斜視図である。 図４は、図３に示したダイヤモンド光磁気センサと光ファイバとの配置を示す三面図である。 図５は、ダイヤモンド光磁気センサと光ファイバとの間に集光素子を配置する構成を示す側面図である。 図６は、ダイヤモンド光磁気センサに入射されるＮＶセンタの励起光の光路を示す模式図である。 図７は、ダイヤモンド光磁気センサのＮＶセンタから放射される蛍光の光路を示す模式図である。 図８は、屈折率を考慮せずにダイヤモンドから放射される蛍光の光路を示す模式図である。 図９は、屈折率を考慮してダイヤモンドから放射される蛍光の光路を示す模式図である。 図１０は、反射鏡を設けた場合にダイヤモンドから放射される蛍光の光路を示す模式図である。 図１１は、コーナーキューブ形状のダイヤモンドから放射される蛍光の光路を示す模式図である。 図１２は、第１変形例に係るダイヤモンド光磁気センサの構成を示す断面図である。 図１３は、第２変形例に係るダイヤモンド光磁気センサの構成を示す二面図である。 図１４は、図１３とは別の第２変形例に係るダイヤモンド光磁気センサの構成を示す斜視図である。 図１５は、第３変形例に係るダイヤモンド光磁気センサの構成を示す側面図である。 図１６は、第４変形例に係るダイヤモンド光磁気センサの構成を示す斜視図である。 図１７は、第５変形例に係るダイヤモンド光磁気センサの構成を示す斜視図である。 図１８は、図１７に示したダイヤモンド光磁気センサと光ファイバとの配置を示す三面図である。 図１９は、先端部の形状が図１７に示したダイヤモンド光磁気センサと異なるダイヤモンド光磁気センサを示す断面図である。 図２０は、第６変形例に係るダイヤモンド光磁気センサの構成を示す斜視図である。 図２１は、先端部の形状が図２０に示したダイヤモンド光磁気センサと異なるダイヤモンド光磁気センサを示す断面図である。 図２２は、第７変形例に係るダイヤモンド光磁気センサの構成を示す斜視図である。 図２３は、先端部の形状が図２２に示したダイヤモンド光磁気センサと異なるダイヤモンド光磁気センサを示す断面図である。 図２４は、第８変形例に係るダイヤモンド光磁気センサの構成を示す斜視図である。 図２５は、先端部の形状が図２４に示したダイヤモンド光磁気センサと異なるダイヤモンド光磁気センサを示す断面図である。 図２６は、励起光及び蛍光を空間伝送する構成の一例を示す模式図である。 図２７は、実施例１の構成を示す模式図である。 図２８は、図２７に示したマイクロ波照射部の構成を示す斜視図である。 図２９は、実験結果を示すグラフである。 図３０は、比較結果を示すグラフである。 図３１は、実施例２の構成を示す模式図である。
　［本開示が解決しようとする課題］
　光源からの励起光を伝送してＮＶセンタに照射する光学系は、ＮＶセンタのスピン状態を初期化し、その後の変化を読取るため励起光を照射する。光磁気センサとして速い応答性と高い感度を得るためには、ＮＶセンタに対して励起光の照射をできるだけ均一、強力且つ広範囲に行う必要がある。
　ＮＶセンタからの蛍光を集光して光検出器に伝送する光学系は、ＮＶセンタのスピン状態により変化する蛍光を集光する。光磁気センサとして速い応答性と高い感度を得るためには、ＮＶセンタからの蛍光をできるだけ広範囲から高い効率で集光する必要がある。
　即ち、ダイヤモンドのＮＶセンタから放射される蛍光の集光効率、ＮＶセンタを励起する励起光の吸収効率、及び、励起光の照射パワー密度をより向上できれば好ましい。各課題に関して以下に具体的に説明する。
（蛍光の集光効率）
　蛍光を伝送する光ファイバのコアの直径をφｃ、開口数をＮｃとし、ダイヤモンドの屈折率をｎ、ダイヤモンド内部のＮＶセンタからの蛍光を集光可能なエリアの直径をφd、集光可能な深さをｄｄ、集光可能な開口数をＮｄとする。ここで、φｄとＮｄとの積については、ラグランジュの不変量の法則とダイヤモンド表面での屈折のため、
　φｄ×Ｎｄ＜φｃ×Ｎｃ／ｎ　　　（式１）
による制限がある。また、ｄｄについては、
　ｄｄ＝φｄ／Ｎｄ　　　（式２）
となる。例えば、光ファイバの端部において、ダイヤモンドをコアに密着させて配置した場合、φｃ＝φｄと考えることができ、式１から、
　Ｎｄ＜Ｎｃ／ｎ　　　（式３）
が導かれる。
　市販されている光ファイバの開口数Ｎｃは約０．０７から約０．５の範囲である。その中でも開口数の大きい（例えばＮｃ＝０．５）光ファイバを選んで用いたとしても、ダイヤモンドの屈折率ｎが約２．５であることから、式３から、集光可能な開口数Ｎｄは、Ｎｄ＜０．２　となる。したがって、ＮＶセンタからの蛍光は概ね全天周にランダムに放射されると考えると、光ファイバのコアの端面に到達して光ファイバを伝送される蛍光の集光率ηは、全天周の立体角４πｓｒ（ステラジアン）に対して、
　η≒（０．２×０．２×π）／（４×π）＝０．０１　　　（式４）
となり、最大でも１％の効率に留まる。
　例えば、ダイヤモンドと光ファイバの端面のコアとの間に対物レンズを配置して集光することが考えられる。その場合、対物レンズの開口数をＮｔとすると、光学系の倍率をＮｔ／Ｎｃとしたときに効率は最大になる。しかし、その場合にも、φｄ＝Ｎｃ×φｃ／Ｎｔとなり、上記の式１から、開口数Ｎｄには、
　Ｎｄ＜Ｎｔ／ｎ　　　（式５）
の制限がある。対物レンズの開口数Ｎｔは大きいものでも約１強に留まるため、開口数Ｎｃの大きい（例えばＮｃ＝０．５）光ファイバと組み合わせたとしても、ダイヤモンドの屈折率ｎが約２．５であるので、式５から、Ｎｄ＜０．４となる。したがって、光ファイバのコアの端面に到達して光ファイバを伝送される蛍光の集光率ηは、
　η≒（０．４×０．４×π）／（４×π）＝０．０４　　　（式６）
となり、最大でも４％の効率に留まる。
　このように、高電圧の電力機器での計測に便利なように、ＮＶセンタから光検出器への蛍光の伝送に光ファイバを用いると、ＮＶセンタからの蛍光の集光率は、せいぜい数％程度の低い効率に留まる。
　ダイヤモンド光磁気センサの感度δＢ（即ち検出磁場Ｂの分解能）の理論式として、下記の式７が知られている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式７中、γは磁気回転比（即ち定数）であり、電子の磁気回転比（１．７６×１０１１ｒａｄ／ｓ／Ｔ）に近い値である。ηは蛍光の検出効率、即ち集光効率であり、上記のように、数％に留まる。Ｃは、後述するスピン検出コントラスト比（即ち赤色光輝度の低下率）である。Ｎは励起光が照射され、且つ、蛍光が集光されるエリアに存在する負の電荷を持ったＮＶセンタの数である。Ｔ２は電子スピンの横緩和時間である。上記の感度の理論式（式７）から、また光磁気センサでは光量子雑音が測定感度の限界を決めることから、蛍光の集光効率ηが高いことが好ましいが、上記したように、蛍光の集光効率は数％と、十分ではない。
（励起光の吸収効率）
　ＮＶセンタのスピン状態を初期化し、その後の変化を読取るために、波長５３２ｎｍの励起光を照射する。励起光の光源には緑色光の半導体レーザ、又は、ＹＡＧの２倍波の固体レーザが使い易い。ダイヤモンドは、不純物の有無、不純物の種類に応じて分類される。そのうち、不純物として窒素原子を含有する（即ち、ＮＶセンタを有する）Ｉｂ型は、ダイヤモンドの種類の中で比較的黄色く見えて透過率が低い。Ｉｂ型ダイヤモンドに関する光の透過率を図１に示す。縦軸は透過率（％）を表し、横軸は波長（μｍ）を表す。図１において、波長が１．０μｍを挟んで、横軸のスケールが異なる。図１から分かるように、Ｉｂ型ダイヤモンドであっても、波長５３２ｎｍ（即ち０．５３２μｍ）の緑色光はある程度透過するので、ダイヤモンドに光を吸収させるのに要する吸収長は数ｍｍを越える。ダイヤ基板の光路長が短い（例えば厚みが薄い）場合には、励起光の殆どが透過してしまうため、励起光の吸収効率が悪い。
（励起光の照射パワー密度）
　Ｉｂ型のダイヤモンド基板中に形成したＮＶセンタに関して、スピン検出コントラスト比（即ち赤色光輝度の低下率）と励起光のパワー密度との関係を実験により評価した。その結果を図２に示す。図２において、縦軸はスピン検出コントラスト比を表し、横軸は励起光のパワー密度を表す。図２から分かるように、光磁気センサとして高い感度を得るために、スピン検出コントラスト比を０．０６以上に大きくするには、２０ｍＷ／ｍｍ２以上のパワー密度で励起光を照射する必要があることが分かった。
　また、Ｉｂ型のダイヤモンド基板中に形成したＮＶセンタに関して、マイクロ波の周波数変化に対する応答速度（具体的には時定数）と励起光のパワー密度との関係を実験により評価した。その結果、光磁気センサとして高い応答速度を得るためには、照射する励起光のパワー密度を高くする必要があることが分かった。
　したがって、本開示は、蛍光の集光効率が高く、励起光の吸収効率及びパワー密度が高いダイヤモンド光磁気センサを提供することを目的とする。
　［本開示の効果］
　本開示によれば、蛍光の集光効率が高く、励起光の吸収効率及びパワー密度が高いダイヤモンド光磁気センサを提供できる。
　［本開示の実施形態の説明］
　本開示の実施形態の内容を列記して説明する。以下に記載する実施形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
　（１）本開示の第１の局面に係るダイヤモンド光磁気センサは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、光学系を介して伝搬され、ダイヤモンドの内部に入射する励起光を反射する反射面とを含み、反射面は、励起光により励起されたカラーセンタから放射される放射光を反射して光学系の方向に集光する。これにより、蛍光の集光効率、励起光の吸収効率及びパワー密度を向上できる。したがって、ダイヤモンド光磁気センサの応答性及び感度を向上できる。
　（２）励起光は、光ファイバの出力部からダイヤモンドに入射され、反射面は、放射光を、光ファイバの出力部に集光することができる。これにより、蛍光の集光効率、励起光の吸収効率及びパワー密度をより向上できる。したがって、ダイヤモンド光磁気センサの応答性及び感度をより向上できる。
　（３）本開示の第２の局面に係るダイヤモンド光磁気センサは、電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、光学系を介して伝搬される励起光をダイヤモンドの内部に入射できる微小部分と、微小部分から入射した励起光により励起されたカラーセンタから放射される放射光を反射して、受光素子に導く受光光学系の方向に集光する反射面とを含み、反射面は、微小部分よりも大きな面積を持ち、同一位置から異なる方向に放射された放射光を、複数の光路により受光光学系まで導く。これにより、蛍光の集光効率、励起光の吸収効率及びパワー密度を向上できる。したがって、ダイヤモンド光磁気センサの応答性及び感度を向上できる。
　（４）励起光は、光ファイバの出力部から微小部分を経由し、ダイヤモンドに入射され、放射光は、反射面を経由して、光ファイバの出力部に集光してもよい。これにより、蛍光の集光効率、励起光の吸収効率及びパワー密度をより向上できる。したがって、ダイヤモンド光磁気センサの応答性及び感度をより向上できる。
　（５）ダイヤモンド光磁気センサは、ダイヤモンドを内包し、励起光及び放射光を透過させる部材をさらに含んでいてもよく、反射面は、部材に形成されていてもよい。これにより、高価なダイヤモンドの量を少なくでき、ダイヤモンド光磁気センサのコストを低減できる。
　（６）反射面は、ダイヤモンドに形成されていてもよい。これにより、ダイヤモンドとは別に反射面となる部材を設ける必要がなく、さらに、ダイヤモンドと大気との屈折率差が大きいことより反射面での臨界角を小さくでき反射効率が大きいセンサをコンパクトに形成できる。
　（７）反射面は、ダイヤモンドを内包する部材に形成されていてもよい。これにより、ダイヤモンドより加工の容易な部材への反射面の加工のみとなり、ダイヤモンドへの励起光の集光が容易となる。また、部材として、ダイヤモンドの屈折率により近い材料を選ぶことにより、大気との屈折率差を大きく保持し、ダイヤモンドへの励起光の入射を容易にし、且つ、反射面における臨界角を小さくでき、反射効率が大きいセンサをコンパクトに形成できる。
　（８）反射面は、焦点を結ぶ曲面又は複数の平面を含んでいてもよい。これにより、蛍光の集光効率をより一層向上できる。ここで焦点とは、異なる２光路以上で、その２光路がダイヤモンドに入射したときの間隔よりも近い位置に集まる点であればよく、いわゆる厳密な光学的な焦点でなくとも構わない。幾何学上１点に集まるほど好ましく、より多くの複数の光路が１点に集まることがさらに好ましい。
　（９）ダイヤモンドは、平面と球冠とを有していてもよく、反射面は、球冠により形成されていてもよい。これにより、蛍光の集光効率の高いダイヤモンドの形状設計が容易になる。
　（１０）ダイヤモンドは、２つの球冠を有していてもよく、反射面は、２つの球冠のうちの第１の球冠により形成されていてもよい。これにより、蛍光の集光効率の高いダイヤモンドの形状設計が容易になる。
　（１１）ダイヤモンドは、多面体に形成されていてもよく、反射面は、多面体の複数の面により形成されていてもよい。これにより、蛍光の集光効率の高いダイヤモンドの製造が容易になる。
　（１２）反射面は平面を有していてもよく、励起光の入射軸に垂直な面と平面とが成す、励起光の入射側の角度は、２０°以上７０°以下であってもよい。これにより、蛍光の集光効率が高いダイヤモンドを実現できる。
　（１３）垂直な面と平面とが成す角度は、３０°以上５０°以下であってもよい。これにより、蛍光の集光効率がより高いダイヤモンドを実現できる。
　（１４）ダイヤモンドは、コーナーキューブを有してもよい。これにより、蛍光の集光効率がより一層高いダイヤモンドを実現できる。
　（１５）ダイヤモンドを内包する部材は、コーナーキューブを有していてもよい。これにより、蛍光の集光効率がより一層高いダイヤモンドを実現できる。
　（１６）光学系は、光ファイバを含み、ダイヤモンドの大きさは、光ファイバのコア径の１／３以上３倍以下であってもよい。これにより、光ファイバを伝送された励起光を効率よくダイヤモンドに照射でき、ダイヤモンドから放射される蛍光を効率よく光ファイバに入射できる。
　（１７）光学系は、光ファイバを含み、ダイヤモンドは、光ファイバのコア径を直径とする円に内接する大きさ以上、当該円に外接する大きさ以下であってもよい。これにより、光ファイバを伝送された励起光を効率よくダイヤモンドに照射でき、ダイヤモンドから放射される蛍光を効率よく光ファイバに入射できる。
　（１８）光学系は、光ファイバ及びレンズを含み、光ファイバを介して伝搬された励起光は、レンズから出力されてダイヤモンド光磁気センサに入射されてもよく、反射面は、カラーセンタから放射される放射光を、レンズに集光してもよく、レンズの倍率は、光ファイバの開口数の逆数であってもよく、ダイヤモンドの大きさは、光ファイバのコア径と開口数との積の８０％以上１２０％以下の範囲であってもよい。これにより、光ファイバを伝送された励起光を、レンズを介して効率よくダイヤモンドに照射でき、ダイヤモンドから放射される蛍光を、レンズを介して効率よく光ファイバに入力できる。
　［本開示の実施形態の詳細］
　以下の実施形態においては、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
　図３を参照して本開示の実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサ１００は、ＮＶセンタを含むダイヤモンドにより形成されている。ダイヤモンド光磁気センサ１００は四面体に形成されている。図３において、４つの点Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤは、四面体の頂点を表す。辺ＡＤ、ＢＤ及びＣＤに沿って、それぞれＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を示す。長さａ、ｂ及びｃは、それぞれ辺ＡＤ、ＢＤ及びＣＤの長さを表す。角度αは、辺ＡＤと辺ＢＤとの成す角度を表す。角度βは、辺ＢＤと辺ＣＤとの成す角度を表す。角度γは、辺ＣＤと辺ＡＤとの成す角度を表す。ダイヤモンド光磁気センサ１００の結晶方位の配置は任意であり、必ずしもＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸により規定されない。
　ダイヤモンド光磁気センサ１００を用いて、磁場等を測定する場合、例えば、面ＡＢＣに垂直に励起光を入射する。これにより、ダイヤモンド光磁気センサ１００内部のＮＶセンタに励起光が照射され、蛍光が放射される。ダイヤモンド光磁気センサ１００の面ＡＢＣ（即ち入射面）以外の３面（即ち、面ＡＢＤ、面ＢＣＤ及び面ＡＣＤ）は、平坦な面に研磨されており、鏡（例えば、金属メッキ、金属蒸着等）を設けることなく反射面として機能する。全方位に放射される蛍光は、ダイヤモンド光磁気センサ１００の面ＡＢＤ、面ＢＣＤ及び面ＡＣＤにより内部反射されて、面ＡＢＣから出力され、検出器により検出され得る。
　ダイヤモンド光磁気センサ１００の角度α、β及びγは任意である。角度α、β及びγは、いずれも９０°であることが好ましい。その場合のダイヤモンド光磁気センサ１００の形状をコーナーキューブという。ダイヤモンド光磁気センサ１００の辺ａ、ｂ及びｃは、０．５ｂ≦ａ≦１．５ｂ、０．５ｃ≦ａ≦１．５ｃを満たすことが好ましい。
　図４を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ１００を用いて磁場測定を行うときには、ダイヤモンド光磁気センサ１００は、面ＡＢＣ（図３参照）が光ファイバ１０２の端部（即ち、励起光の出力部）に対向するように配置される。図４の右下に、図３に示したダイヤモンド光磁気センサ１００の頂点である点Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを示す。
　光ファイバ１０２は、ダイヤモンド光磁気センサ１００に近接（当接している場合を含む）して配置されていればよい。光ファイバ１０２は、その光軸が、ダイヤモンド光磁気センサ１００の面ＡＢＣ（即ち入射面）に垂直になるように配置されることが好ましい。光源（例えばレーザダイオード等）から出力された光（例えば、波長約５３２ｎｍ）は、ダイヤモンド光磁気センサ１００のＮＶセンタ１０４の励起光として、光ファイバ１０２により伝送されダイヤモンド光磁気センサ１００に入射する。ＮＶセンタ１０４から放射される蛍光は、上記したように、ダイヤモンド光磁気センサ１００の反射面（即ち、面ＡＢＤ、面ＢＣＤ及び面ＡＣＤ）により内部反射されて、面ＡＢＣから出力され、光ファイバ１０２により検出器まで伝送される。
　このとき、ダイヤモンドの屈折率を２．４とすると、ダイヤモンド光磁気センサ１００の反射面１０６（即ち面ＡＢＤ）と、光ファイバ１０２の光軸に垂直な垂直面１０８との成す角度θ（度）は、屈折率が２．４の物質の全反射の臨界角が２４．６度のため、２０≦θ≦７０（４５－２５≦θ≦４５＋２５）　であることが好ましい。各反射面に関して、θをこの範囲に設定する（即ち、θがこの範囲内になるようにダイヤモンド光磁気センサ１００を形成する）ことにより、ダイヤモンド光磁気センサ１００の内部において各反射面に入射する光を、ダイヤモンド光磁気センサ１００の前方且つ光ファイバ１０２の中心軸方向に反射できる。したがって、励起光がＮＶセンタの励起に使用される割合を増大し、放射される蛍光が光ファイバ１０２に入射する割合を増大できる。より好ましくは、２４．６≦θ≦６５．４（４５－２０．４≦θ≦４５＋２０．４）　である。さらに好ましくは、３８≦θ≦５２　（４５－（２０．４／３）≦θ≦４５＋（２０．４／３））　である。
　ダイヤモンド光磁気センサ１００の大きさは、光ファイバ１０２のコア径（即ちコアの直径）の１／３以上３倍以下であることが好ましい。ダイヤモンド光磁気センサ１００の大きさとは、例えば、光ファイバ１０２に対向する面（即ち励起光の入射面）の外接円の大きさを意味する。また、ダイヤモンド光磁気センサ１００は、光ファイバ１０２のコア径を直径とする円に内接する大きさ以上、当該円に外接する大きさ以下であることが好ましい。これにより、光ファイバ１０２により伝送された励起光を効率的にダイヤモンド光磁気センサ１００に入射し、ダイヤモンド光磁気センサ１００から放射される蛍光を光ファイバ１０２のコアに効率的に入射できる。
　また、ダイヤモンド光磁気センサ１００と光ファイバ１０２との間には、集光素子が配置されていてもよい。例えば、図５を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ１００と光ファイバ１０２との間に、集光素子１１０及び１１２が配置されている。これにより、光ファイバ１０２により伝送されて光ファイバ１０２の端部から出力される励起光は、集光素子１１０及び１１２により集光されてダイヤモンド光磁気センサ１００に照射される。ダイヤモンド光磁気センサ１００のＮＶセンタから放射される蛍光は、集光素子１１２及び１１０により集光されて、光ファイバ１０２のコアの端部に入射されて、光ファイバ１０２により伝送される。
　集光素子１１０及び１１２により構成されるレンズの倍率は、光ファイバ１０２の開口数ＮＡの逆数（即ち１／ＮＡ）であることが好ましい。また、ダイヤモンド光磁気センサ１００の大きさは、光ファイバ１０２のコア径φと開口数ＮＡとの積（即ちφ×ＮＡ）の８０％以上１２０％以下の範囲であることが好ましい。これにより、光ファイバ１０２により伝送された励起光を効率的にダイヤモンド光磁気センサ１００に入射し、ダイヤモンド光磁気センサ１００から放射される蛍光を光ファイバ１０２のコアに効率的に入射できる。
　上記では、光ファイバ１０２により励起光及び蛍光を伝送する場合を説明したが、これに限定されない。光ファイバ１０２の代わりに、複数の光ファイバコアを束ねたライトガイドを用いてもよい。
　図６に、励起光のダイヤモンド光磁気センサ１００内部の光路を示す。図６を参照して、光ファイバ１０２から伝送される励起光（矢印参照）は、ダイヤモンド光磁気センサ１００に入射し、複数の反射面（即ち、図１の面ＡＢＤ、面ＢＣＤ及び面ＡＣＤ）により、ダイヤモンド光磁気センサ１００の内部で反射され、ＮＶセンタ１０４に照射される。即ち、ＮＶセンタ１０４には、前方（即ち光ファイバ１０２の側）からの励起光に限らず、後方及び上下左右からの励起光も含めて、全方位からの励起光が入射する。したがって、ＮＶセンタに入射する励起光の照射パワー密度を増大できる。特定のＮＶセンタに到達するまでの光路中において吸収が小さい場合には、前方からの励起光だけの場合と比べて、励起光の照射パワー密度を最大で６倍に増大できる。これにより、ダイヤモンド光磁気センサの感度を向上できる。
　また、複数の反射面で反射されてＮＶセンタ１０４に入射する励起光の光路は、反射されずに直接ＮＶセンタ１０４に入射する光路よりも長い（例えば、約２倍）。これにより、ダイヤモンド光磁気センサ１００内における励起光の光路を、ダイヤモンドの吸収長に近づけることができ、励起光の吸収効率（即ち吸収の量子効率）を増大できる。即ち、励起させるＮＶセンタの数が増大するので、放射される蛍光強度が増大する。これにより、ダイヤモンド光磁気センサの感度を向上できる。
　図７に、ダイヤモンド光磁気センサ１００のＮＶセンタから放射される蛍光の光路を示す。図７を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ１００内部において、励起光が照射されたＮＶセンタ１０４は、全方位に蛍光（矢印参照）を放射する。このうち、前方（即ち光ファイバ１０２の側）に放射された蛍光は直接光ファイバ１０２の端部（即ち励起光の出力部）に入射する。一方、後方及び上下左右に放射された蛍光は、複数の反射面（即ち、図１の面ＡＢＤ、面ＢＣＤ及び面ＡＣＤ）により、ダイヤモンド光磁気センサ１００の内部で反射された後、ダイヤモンド光磁気センサ１００から出力されて光ファイバ１０２の端部（即ち励起光の出力部）に入射する。即ち、全方位に放射される蛍光を、前方に集光させることができ、蛍光の集光効率を増大できる。したがって、ダイヤモンド光磁気センサの感度を向上できる。
　図８～図１１を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ１００による、蛍光の集光効率の増大効果に関して、より具体的に説明する。図８には、矩形（例えば立方体）のダイヤモンドの内部から放射される蛍光の光路を示す。ここでは、ダイヤモンドの屈折率は１であるとして、考慮していない。この場合、中心軸に対する放射光の角度θ（度）が、０≦θ≦４５　の範囲（即ち網掛領域）の光が１つの観測面（即ち左側の面）から出力される。したがって、立体角の比率から、２５％（＝π／（４π））の放射光を検出できる。
　図９には、図８と同じ形状のダイヤモンドに関して、ダイヤモンドの屈折率ｎ（即ち約２．５）を考慮して、ダイヤモンド内部から放射される蛍光の光路を示す。この場合、中心軸に対する放射光の角度θ（度）が、０≦θ≦１７　の範囲（即ち網掛領域）の光が観測面（左側の面）から出力される。θ＞１７の光は、臨界角を超えているので、左側の面で反射される。したがって、図８とは異なり実際には、立体角の比率から、約２．３％（＝０．３２π／（４π））の放射光しか検出できない。
　図１０は、ダイヤモンドの１つの面に反射鏡を配置した場合に関して、図９と同様にダイヤモンドの屈折率ｎを考慮して、ダイヤモンド内部から放射される蛍光の光路を示す。便宜上、観測面に垂直方向のダイヤモンドの大きさは、図９の１／２にしている。この場合、図９と同様に、中心軸に対する放射光の角度θ（度）が、０≦θ≦１７　の範囲（即ち網掛領域）の光が観測面（即ち左側の面）から出力される。さらに、同じ角度範囲で後方に放射された光は、反射鏡により前方に反射され、同じ角度範囲で観測面から出力される。したがって、図９の場合の約２倍の光が観測面（即ち左側の面）から出力される。立体角の比率から、約４．５％（＝（０．３２π）×２／（４π））の放射光を検出できる。
　図１１は、ダイヤモンドの屈折率ｎを考慮して、コーナーキューブのダイヤモンドの内部から放射される蛍光の光路を示す。この場合、図９と同様に、中心軸に対する放射光の角度θ（度）が、０≦θ≦１７　の範囲（即ち網掛領域）の光が観測面（即ち左側の面）から出力される。また、後方及び側方に同じ角度範囲（即ち網掛領域）で放射された光は、コーナーキューブの観測面以外の面が反射面として機能し、前方に反射されて観測面から出力される。立体角の比率から、約３５％（＝（（０．３２π）×２＋０．６×２π）／（４π））の放射光を検出できる。
　上記のように、図９に示した平坦なダイヤモンドでは、ＮＶセンタから前方に放射される蛍光の約２．３％が観測できる。反射面を設けた場合にも、蛍光の約４．５％が観測できるに留まる。これに対して、コーナーキューブのダイヤモンドを用いることにより、ＮＶセンタから側方及び後方に放射される蛍光も前方に集光でき、約３５％の蛍光を観測できる。平坦なダイヤモンドの場合と比較して、集光効率は約１５倍に向上する。
　以上、ダイヤモンド光磁気センサ１００は、蛍光の集光効率、励起光の吸収効率及びパワー密度を向上できる。したがって、応答性及び感度を向上したダイヤモンド光磁気センサを実現できる。
（第１変形例）
　上記では、ダイヤモンド光磁気センサを、ダイヤモンドにより構成する場合を説明したが、これに限定されない。ダイヤモンド以外の部材を含んでいてもよい。第１変形例に係るダイヤモンド光磁気センサは、ダイヤモンド以外の部材を含む。
　図１２を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ１２０は、ＮＶセンタを含むダイヤモンド１２２と、ダイヤモンド１２２を内包するガラス１２４とを有する。ガラス１２４の形状は、図３に示したダイヤモンド光磁気センサ１００と同様の形状（例えば、コーナーキューブ）である。ガラス１２４の各辺の寸法（即ち、図３に示したａ、ｂ及びｃ）及び角度（即ち、図３に示したα、β及びγ）に関する条件も、ダイヤモンド光磁気センサ１００に関して示したものと同じであればよい。上記したように、図１２において、入射面１２６に入射した励起光は、ダイヤモンド光磁気センサ１２０の内部で反射面１２８により反射され、１点鎖線の内部（以下、励起光増大エリアという）に集中する。したがって、ダイヤモンド１２２は、励起光増大エリアの内部に少なくとも一部が存在する大きさであればよく、ダイヤモンド１２２の形状は任意である。ダイヤモンドの周囲をガラス１２４により形成することにより、ダイヤモンドの量を少なくでき、ダイヤモンド光磁気センサのコストを低減できる。また、ガラスをコーナーキューブの形状に切削加工すればよいので、ダイヤモンドを切削加工する場合よりも、ダイヤモンド光磁気センサの製造が容易になる。
　ダイヤモンド１２２のＮＶセンタから放射される蛍光は、上記したように、反射面１２８により反射され、入射面１２６から出力される。ダイヤモンド１２２を内包する部材はガラスに限定されない。緑色の光（即ち波長約４９０～５６０ｎｍ）及び赤色の光（即ち波長約６３０～８００ｎｍ）の透過率が高ければよく、樹脂であってもよい。なお、ガラス１２４の屈折率はダイヤモンドよりも小さいので、反射面１２８の表面を平坦に加工し、鏡（例えば、金属メッキ、金属蒸着等）を設けることが好ましい。
（第２変形例）
　上記では、反射面が平面である場合を説明したが、これに限定されない。第２変形例に係るダイヤモンド光磁気センサは、曲面の反射面を有する。
　図１３を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ１３０は、ＮＶセンタを含み、平面の入射面１３２と曲面の反射面１３４とを有する。励起光は入射面１３２に入射される。反射面１３４は、例えば、放物面又は楕円体面等の焦点１３６を結ぶ曲面である。反射面１３４は、入射面１３２の側から見て、凹形状であればよい。反射面１３４が凹形状であれば、入射面１３２からダイヤモンド光磁気センサ１３０に入射した励起光は、ダイヤモンド光磁気センサ１３０内部において反射面１３４により前方（即ち入射面１３２の側）に反射される。したがって、励起光の光路が長くなりＮＶセンタの励起光の吸収効率を増大できる。ＮＶセンタから放射される蛍光は、ダイヤモンド光磁気センサ１３０内部において反射面１３４により前方（即ち入射面１３２の側）に反射されて集光され、入射面１３２から出力される。したがって、蛍光の集光効率を増大できる。
　また、ダイヤモンド光磁気センサの反射面は、球面であってもよい。図１４を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ１４０は、ＮＶセンタを含み、平面の入射面１４２と曲面の反射面１４４とを有する。ダイヤモンド光磁気センサ１４０は、半径ｒの球体を、その中心Ｏを通らない平面で切除して得られる、中心Ｏを含まない球欠である。反射面１４４は、切除された球面の一部（即ち球冠）である。励起光は入射面１４２からダイヤモンド光磁気センサ１４０に入射する。ダイヤモンド光磁気センサ１４０に入射した励起光は、ダイヤモンド光磁気センサ１４０内部において反射面１４４により前方（即ち入射面１４２の側）に反射される。したがって、励起光の光路が長くなりＮＶセンタの励起光の吸収効率を増大できる。ＮＶセンタから放射される蛍光は、ダイヤモンド光磁気センサ１４０内部において反射面１４４により前方（即ち入射面１４２の側）に反射されて集光され、入射面１４２から出力される。したがって、蛍光の集光効率を増大できる。図１４に示した長さｄ及びｅに関しては、ｒ＞ｄ＞３ｒ／４、及び、３ｒ／２＞ｅ＞ｒ／２であることが好ましい。長さｄは入射面１４２の直径であり、長さｅは球欠の高さ（即ち、入射面１４２から球冠までの垂直距離の最大値）である。
　第２変形例に係るダイヤモンド光磁気センサに関しても、第１変形例と同様に、ＮＶセンタを含むダイヤモンドと、それを内包するガラスとを含むように形成されてもよい。その場合、ダイヤモンドを内包するガラスは、図１３又は図１４に示した形状に形成される。
（第３変形例）
　上記では、励起光の入射面が平面である場合を説明したが、これに限定されない。第３変形例に係るダイヤモンド光磁気センサは、曲面の入射面を有する。
　図１５を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ１５０は、ＮＶセンタを含み、曲面の入射面１５２と曲面の反射面１５４とを有する。入射面１５２及び反射面１５４はいずれも球冠であり、ダイヤモンド光磁気センサ１５０は、２つの球欠を平面で接合した形状をしている。励起光は入射面１５２からダイヤモンド光磁気センサ１５０に入射する。ダイヤモンド光磁気センサ１５０に入射した励起光は、ダイヤモンド光磁気センサ１５０内部において反射面１５４により前方（即ち入射面１５２の側）に反射される。したがって、励起光の光路が長くなりＮＶセンタの励起光の吸収効率を増大できる。ＮＶセンタから放射される蛍光は、ダイヤモンド光磁気センサ１５０内部において反射面１５４により前方（即ち入射面１５２の側）に反射されて集光され、入射面１５２から出力される。したがって、蛍光の集光効率を増大できる。
　反射面１５４が、図１４に示したように半径ｒの球体を切除した２つの球欠により形成されていれば、図１５に示した長さｄ及びｅに関しては、ｒ＞ｄ＞３ｒ／４、及び、３ｒ／２＞ｅ＞ｒ／２であることが好ましい。ダイヤモンド光磁気センサ１５０が、このような形状であれば、励起光が、入射面１５２及び反射面１５４の接合面に垂直な軸に平行に入射面１５２に入射する場合、励起光をダイヤモンド光磁気センサ１５０の内部で集光できる。
　第３変形例に係るダイヤモンド光磁気センサに関しても、第１変形例と同様に、ＮＶセンタを含むダイヤモンドと、それを内包するガラスとを含むように形成されてもよい。その場合、ダイヤモンドを内包するガラスは、図１５に示した形状に形成される。
　（第４変形例）
　上記では、ダイヤモンド光磁気センサが四面体である場合を説明したが、これに限定されない。第４変形例に係るダイヤモンド光磁気センサは、５面体以上の多面体である。
　図１６を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ１６０は、ＮＶセンタを含み、三角柱（即ち５面体）に形成されており、入射面１６２と、入射面１６２以外の４つの反射面（即ち反射面１６４等）とを有する。励起光は入射面１６２からダイヤモンド光磁気センサ１６０に入射する。ダイヤモンド光磁気センサ１６０に入射した励起光は、ダイヤモンド光磁気センサ１６０内部において反射面１６４等の複数の反射面により前方（即ち入射面１６２の側）に反射される。したがって、励起光の光路が長くなりＮＶセンタの励起光の吸収効率を増大できる。ＮＶセンタから放射される蛍光は、ダイヤモンド光磁気センサ１６０内部において反射面１６４等の複数の反射面により前方（即ち入射面１６２の側）に反射されて集光され、入射面１６２から出力される。したがって、蛍光の集光効率を増大できる。
　ダイヤモンド光磁気センサ１６０を用いて磁場測定を行う場合、図１６に示した角度δは９０度であることが好ましい。入射面１６２は正方形であること、即ち、直交する２辺の長さｈ及びｉが等しいことが好ましい。また、長さｆ、ｇ、ｈ及びｉに関しては、次の関係を満たすことが好ましい。
ｇ×（１／１．４－０．５）≦ｆ≦ｇ×（１／１．４＋０．５）
ｈ×（１／１．４－０．５）≦ｆ≦ｈ×（１／１．４＋０．５）
ｉ×（１／１．４－０．５）≦ｆ≦ｉ×（１／１．４＋０．５）
　ダイヤモンド光磁気センサは、６面体以上の多面体であってもよい。また、図１３及び図１４に示した曲面の反射面を、複数の平面により近似した多面体であってもよい。
　第４変形例に係るダイヤモンド光磁気センサに関しても、第１変形例と同様に、ＮＶセンタを含むダイヤモンドと、それを内包するガラスとを含むように形成されてもよい。その場合、ダイヤモンドを内包するガラスは、５面体以上の多面体（例えば、図１６に示した三角柱）に形成される。
　（第５変形例）
　上記では、ダイヤモンド磁気センサにおいて、励起光が入射した面から出力される蛍光を検出する場合（即ち、励起光のダイヤモンド磁気センサへの入射方向と蛍光のダイヤモンド磁気センサからの出力方向とが逆である場合）を説明したが、これに限定されない。第５変形例に係るダイヤモンド光磁気センサにおいては、励起光の入射方向と蛍光の出力方向とが同じであり、励起光が入射する面と異なる面から出力される蛍光が検出される。
　図１７を参照して、第５変形例に係るダイヤモンド光磁気センサ４００は、ＮＶセンタを含むダイヤモンドにより形成されており、その形状は、平坦な微小部分４０２を有する略三角錐（具体的には三角錐台）である。ダイヤモンド光磁気センサ４００は、例えば図３に示したダイヤモンド光磁気センサ１００において、頂点Ｄを含む部分が、所定の平面により切り取られることにより形成され得る。
　図１８を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ４００への励起光の照射は、光ファイバ４０８を用いて微小部分４０２への照射により行われる。例えば、励起光は、光ファイバ４０８から微小部分４０２の面に垂直に照射される。したがって、光ファイバ４０８から照射された励起光は、微小部分４０２からダイヤモンド光磁気センサ４００に入射する。ダイヤモンド光磁気センサ４００の内部に入射した励起光により、ＮＶセンタ１０４から蛍光が放射される。放射された蛍光は、反射面４０４により反射されて、出力面４１０から出力され、光ファイバ１０２に入射する。光ファイバ１０２に入射した蛍光は、光ファイバ１０２により検出器まで伝送される。
　微小部分４０２は、反射面４０４と比べて面積が小さい部分であり、ダイヤモンド光磁気センサ４００への光学的な入射条件を満たしていればよく、後述するように平面でなくてもよい。微小部分４０２は、レーザ光（即ち励起光）が入射できるほどのサブμｍ以上の大きさであることが好ましい。また、微小部分４０２の位置は、ダイヤモンド光磁気センサ４００に入射した励起光によるＮＶセンタからの放射光（即ち蛍光）が、反射面により反射されて、放射光を受光する光学系に向かって集光できる位置であることが好ましい。なお、集光とは、拡がった角度の光を目的の方向に向かうように集める機能を意味する。
　上記では、励起光を入射するための微小部分４０２が平坦である場合を説明したが、これに限定されない。図１９を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ４２０は、微小部分４２２と反射面４２４とを有する。反射面４２４は、反射面４０４と同様に略三角錐である。微小部分４２２の形状は、平坦ではなく、滑らかな曲面である。したがって、実線の矢印により示すように、微小部分４２２に入射する励起光は、主にダイヤモンド光磁気センサ４２０の内部に入射する。破線の矢印により示すように、微小部分４２２以外の部分（即ち反射面４２４）に入射する光は、主に反射し、ダイヤモンド光磁気センサ４２０の内部に入ることができない。このように、微小部分の形状は、平坦でなくてもよく、励起光がダイヤモンド光磁気センサ４２０の内部に入射し得る形状であればよい。ダイヤモンド光磁気センサ４２０に入射した励起光により、ＮＶセンタ１０４から放射された蛍光は、反射面４２４により反射され、励起光の入射側とは反対側から出力される。
　（第６変形例）
　第５変形例においては、ＮＶセンタを含むダイヤモンド磁気センサが、微小部分を有する略三角錐である場合を説明したが、これに限定されない。図２０を参照して、第６変形例に係るダイヤモンド光磁気センサ４３０は、微小部分４３２と反射面４３４とを有し、微小部分４３２及び反射面４３４は、全体として滑らかな曲面に形成されている。したがって、実線の矢印により示すように、微小部分４３２に入射する励起光は、主にダイヤモンド光磁気センサ４３０の内部に入射する。破線の矢印により示すように、微小部分４３２以外の部分（即ち反射面４３４）に入射する光は、主に反射し、ダイヤモンド光磁気センサ４３０の内部に入ることができない。ダイヤモンド光磁気センサ４３０に入射した励起光により、ＮＶセンタ１０４から放射された蛍光は、反射面４３４により反射され、励起光の入射側とは反対側から出力される。
　なお、第５変形例と同様に、微小部分は平坦であってもよい。図２１を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ４４０は、微小部分４４２と反射面４４４とを有し、反射面４４４は滑らかな曲面であり、微小部分４４２は平坦面である。励起光及び蛍光の光路は図２０と同様である。
　（第７変形例）
　第５及び第６変形例においては、ダイヤモンド磁気センサ全体がダイヤモンドにより形成される場合を説明したが、これに限定されない。図２２を参照して、第７変形例に係るダイヤモンド光磁気センサ４５０は、微小部分４５４及び反射面４５６を有するガラス４５２と、ダイヤモンド１２２とを含む。ダイヤモンド光磁気センサ４５０は、図１２と同様に、ガラス４５２の内部に、ＮＶセンタを含むダイヤモンド１２２が内包されている。ガラス４５２の形状は、図１７及び図１８に示したダイヤモンド光磁気センサ４００と同様の形状（即ち三角錐台）である。したがって、実線の矢印により示すように、微小部分４５４に入射する励起光は、主にガラス４５２の内部に入射し、ダイヤモンド１２２に入射する。破線の矢印により示すように、微小部分４５４以外の部分（即ち反射面４５６）に入射する光は、主に反射し、ガラス４５２の内部に入ることができず、ダイヤモンド１２２に入射されない。ガラス４５２に入射した励起光により、ダイヤモンド１２２のＮＶセンタから放射された蛍光は、反射面４５６により反射され、励起光の入射側とは反対側から出力される。
　ガラスに形成された微小部分は、平坦面でなくてもよい。図２３を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ４６０は、微小部分４６４及び反射面４６６を有するガラス４６２と、ダイヤモンド１２２とを含む。ガラス４６２の内部に、ＮＶセンタを含むダイヤモンド１２２が内包されている。ガラス４６２の形状は、図１９に示したダイヤモンド光磁気センサ４２０と同様の形状である。即ち、微小部分４６４は、平坦ではなく、滑らかな曲面である。励起光及び蛍光の光路は図２２と同様である。
　ダイヤモンド１２２は、上記したように、励起光増大エリア（即ち図１２の一点鎖線内）の内部に少なくとも一部が存在する大きさであればよく、ダイヤモンド１２２の形状は任意である。ダイヤモンドの周囲をガラスにより形成することにより、ダイヤモンドの量を少なくでき、ダイヤモンド光磁気センサのコストを低減できる。また、ガラスを切削加工すればよいので、ダイヤモンドを切削加工する場合よりも、ダイヤモンド光磁気センサの製造が容易になる。
　（第８変形例）
　ダイヤモンドを内包するガラスの形状は、上記した形状に限定されない。図２４を参照して、第８変形例に係るダイヤモンド光磁気センサ４７０は、微小部分４７４及び反射面４７６を有するガラス４７２と、ダイヤモンド１２２とを含む。ガラス４７２は、ＮＶセンタを含むダイヤモンド１２２を内包している。ガラス４７２の形状は、図２０に示したダイヤモンド光磁気センサ４３０と同様の形状である。即ち、ガラス４７２の微小部分４７４及び反射面４７６は、全体として滑らかな曲面に形成されている。したがって、実線の矢印により示すように、微小部分４７４に入射する励起光は、主にガラス４７２の内部に入射し、ダイヤモンド１２２に入射する。破線の矢印により示すように、微小部分４７４以外の部分（即ち反射面４７６）に入射する光は、主に反射し、ガラス４７２の内部に入ることができず、ダイヤモンド１２２に入射されない。ガラス４７２に入射した励起光により、ダイヤモンド１２２のＮＶセンタから放射された蛍光は、反射面４７６により反射され、励起光の入射側とは反対側から出力される。
　なお、ガラスの微小部分は平坦であってもよい。図２５を参照して、ダイヤモンド光磁気センサ４８０は、微小部分４８４及び反射面４８６を有するガラス４８２と、ダイヤモンド１２２とを含む。ガラス４８２は、ＮＶセンタを含むダイヤモンド１２２を内包している。ガラス４８２の形状は、図２１に示したダイヤモンド光磁気センサ４４０と同様の形状である。微小部分４８４は滑らかな曲面であり、ガラス４８２は平坦面である。励起光及び蛍光の光路は図２４と同様である。
　なお、上記したガラスは、光の透過率、加工し易さ、及び取扱い易さの観点から石英ガラスが好ましい。ガラスは、励起光及び蛍光を９０％以上透過でき、屈折率の大きな材料であることがさらに好ましい。ガラスの反射面（例えば図２２の反射面４５６等）においては全反射する臨界角度が大きくなり、集光できる蛍光が多くなるからである。また、ガラスとダイヤモンドとの境界面（例えば図２２のガラス４５２とダイヤモンド１２２との境界面）においては内部反射が少なくなり、ダイヤモンド内部に光（即ち励起光）が侵入し易くなるからである。
　上記したダイヤモンド光磁気センサを用いて、センサユニットを構成できる。即ち、センサユニットは、上記したように、ＮＶセンタを含むダイヤモンド光磁気センサと、ダイヤモンド光磁気センサに励起光を照射する照射部と、ダイヤモンド光磁気センサのＮＶセンタからの放射光を検知する検知部と、励起光及び放射光を伝送する光導波路とを含む。これにより、速い応答性と高い感度のセンサユニットを実現できる。
　上記では、ダイヤモンド光磁気センサがＮＶセンタを含む場合を説明したが、これに限定されない。電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンド光磁気センサであればよい。電子スピンを持つカラーセンタは、スピン三重項状態を形成し、励起されることにより発光するセンタであり、ＮＶセンタが代表例である。その他に、シリコン－空孔センタ（即ちＳｉ－Ｖセンタ）、ゲルマニウム－空孔センタ（即ちＧｅ－Ｖセンタ）、錫－空孔センタ（即ちＳｎ－Ｖセンタ）にも、電子スピンを持ったカラーセンタが存在することが知られている。したがって、これらを含むダイヤモンドを、ＮＶセンタを含むダイヤモンドの代わりに用いて、ダイヤモンド光磁気センサを構成してもよい。
　上記においては、励起光及び蛍光を光ファイバによりダイヤモンド光磁気センサまで伝送する場合を説明したが、これに限定されない。励起光及び蛍光は、空間伝送されてもよい。例えば、図２６を参照して、光源５００から出力される励起光を、コリメートレンズ５０２により平行光にし、ダイクロイックミラー５０４により反射し、コリメートレンズ５０６により集光してダイヤモンド光磁気センサ１００に照射できる。ダイヤモンド光磁気センサ１００のＮＶセンタから放射される蛍光は、コリメートレンズ５０６により平行光になり、ダイクロイックミラー５０４を通過し、コリメートレンズ５０８により集光されて光検出器５１０により検出される。
　以下に、実施例により、本開示の有効性を示す。ダイヤモンド光磁気センサには、図３に示したコーナーキューブにカットした素子と、比較例として平板状の素子とを用いた。
　タイプＩｂ型のダイヤモンドを用い、これに、電子線の加速エネルギー３ＭｅＶ、電子線のドーズ量３×１０１８個／ｃｍ２で電子を注入し、その後、８００℃で約１時間アニールし、ＮＶセンタを含むダイヤモンドを生成した。これを、斜辺１ｍｍのコーナーキューブにカットして、ダイヤモンド光磁気センサを作製した。また、１辺１ｍｍの立方体にカットして、比較例とするダイヤモンド光磁気センサを作製した。
　図２７に示した構成の測定装置を用いて、ＮＶセンタを有するダイヤモンド光磁気センサに励起光を照射し、ＮＶセンタから放射される蛍光強度を測定した。図２７を参照して、測定装置のうち、ダイヤモンド光磁気センサ２１０に励起光を照射するための構成（即ち照射系）は、光源２００、コリメートレンズ２０２、ダイクロイックミラー２０４、球レンズ２０６及び光ファイバ２０８を含む。ダイヤモンド光磁気センサ２１０から放射される蛍光を観測するための構成（即ち観測系）は、光ファイバ２０８、球レンズ２０６、ダイクロイックミラー２０４、ＬＰＦ（Ｌｏｎｇ　Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ）２１２及び光検出器２１４を含む。ダイヤモンド光磁気センサ２１０にマイクロ波を照射するための構成（即ちマイクロ波系）は、同軸ケーブル２２０、マイクロ波照射部２２２及び終端抵抗２２４を含む。
　励起光を発生させる光源２００には、ＬＤ（レーザダイオード）素子（具体的には、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製のＬ５１５Ａ１）を用い、５ｍＷの緑色のレーザ光（即ち励起光）を発生させた。光源２００から出力される励起光を、コリメートレンズ２０２により集光させた後、ダイクロイックミラー２０４に入射させた。コリメートレンズ２０２には、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製のＬＡ１１１６－Ａを用い、ダイクロイックミラー２０４には、駿河精機株式会社製のＳＯ６－ＲＧを用いた。ダイクロイックミラー２０４に入射した励起光（即ち緑色光）は、ダイクロイックミラー２０４により反射される。その反射光を球レンズ２０６により集光し、光ファイバ２０８（具体的にはコア）に入射させ、光ファイバ２０８を伝送させた後、ダイヤモンド光磁気センサ２１０に照射した。球レンズ２０６には、Ｏｐｔｏ　Ｓｉｇｍａ社製のＭＳ－０８－４．３５Ｐ１（直径８ｍｍ）を用いた。光ファイバ２０８には、コア直径φ０．９ｍｍの光デジタルケーブルを用いた。
　ダイヤモンド光磁気センサ２１０から放射される蛍光のうち光ファイバ２０８に入射した蛍光を、光ファイバ２０８を伝搬させた後、球レンズ２０６により平行光にして、ダイクロイックミラー２０４に入射させた。ダイクロイックミラー２０４に入射した蛍光（即ち赤色光）は、ダイクロイックミラー２０４を透過してＬＰＦ２１２に入射する。ＬＰＦ２１２を通過した蛍光を、光検出器２１４により検出した。ＬＰＦ２１２は、所定波長以上の波長の光を通し、所定波長より小さい波長の光をカット（例えば反射）する。ＬＰＦ２１２には、Ｏｐｔｏ　Ｓｉｇｍａ社製のＬＯＰＦ－２５Ｃ－５９３を用いた。光検出器２１４には、フォトダイオード（具体的には、浜松ホトニクス株式会社製のＳ６９６７）を用いた。ダイヤモンドの放射光は赤色光であり、ＬＰＦ２１２を通るが、励起光はそれよりも波長が短いので、ＬＰＦ２１２を通らない。これにより、光源２００から放射された励起光が光検出器２１４により検知されてノイズとなり、検知感度が低下することを抑制した。
　マイクロ波発生装置（図示せず）により発生させたマイクロ波（１Ｗ）を、同軸ケーブル２２０及びマイクロ波照射部２２２を用いてダイヤモンド光磁気センサ２１０まで伝送した。同軸ケーブル２２０には、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブルを用いた。図２８を参照して、マイクロ波照射部２２２は、コプレーナ線路であり、電気絶縁性のフレキシブル基板３００の表面に導電体３０２及び３０４を相互に離隔させて形成した。導電体３０２及び３０４は、銅箔により形成し、領域３０６において５０Ωの終端抵抗２２４（図２７参照）を用いて終端した。ダイヤモンド光磁気センサ２１０（図２７参照）は領域３０８に配置した。ダイヤモンド光磁気センサ２１０に照射するマイクロ波の周波数を、２．７４ＧＨｚ～２．９４ＧＨｚの範囲で変化させて、ダイヤモンド光磁気センサ２１０に励起光を照射し、発生する蛍光の観測として、光検出器２１４の出力電圧を測定した。
　測定結果を図２９及び図３０に示す。図２９は、ダイヤモンド光磁気センサ２１０としてコーナーキューブのダイヤモンドを用いた結果を示す。図３０は、ダイヤモンド光磁気センサ２１０として平板のダイヤモンドを用いた比較例の結果を示す。縦軸は蛍光強度を表す電圧（Ｖ）であり、横軸はマイクロ波の周波数である。黒丸は、測定データをプロットしたものである。
　図２９に示した結果から、蛍光強度は約２４４０ｍＶであり、スピン検出コントラスト比（即ち、赤色光輝度の低下率であり、グラフの谷の大きさｓを蛍光強度で除した値）として約２％が得られた。したがって、それらを乗算した信号強度は、約５０ｍＶになる。一方、図３０のグラフから、蛍光強度は約５２０ｍＶであり、コントラスト比として約０．３％が得られた。それらを乗算した信号強度は、約１．７ｍＶになる。したがって、コーナーキューブのダイヤモンド光磁気センサを用いることにより、蛍光強度を約５倍に増大でき、コントラスト比を約６倍に増大できた。したがって、信号強度を約３０倍に、著しく増大できた。
　実施例１と同様に、ダイヤモンド光磁気センサに、図３に示したコーナーキューブにカットした素子を用い、比較例として平板状の素子を用いて、空間伝送により励起光及び蛍光を伝送する実験を行った。
　ダイヤモンド光磁気センサを、実施例１と同様に作製した。即ち、タイプＩｂ型のダイヤモンドを用い、電子線の加速エネルギー３ＭｅＶ、電子線のドーズ量３×１０１８個／ｃｍ２で電子を注入し、その後、８００℃で約１時間アニールし、ＮＶセンタを含むダイヤモンドを生成した。これを、斜辺１ｍｍのコーナーキューブにカットし、頂点部分に微小部分（即ち、励起光のダイヤモンドへの入射部）を形成し、ダイヤモンド光磁気センサを作製した。また、１辺１ｍｍの立方体にカットして、比較例とするダイヤモンド光磁気センサを作製した。
　図３１に示した構成の測定装置を用いて、ＮＶセンタを有するダイヤモンド光磁気センサの頂点（即ち微小部分）に励起光を照射し（図１８参照）、ＮＶセンタから放射される蛍光強度を測定した。図３１を参照して、測定装置のうち、ダイヤモンド光磁気センサ２１０に励起光を照射するための構成（即ち照射系）は、光源２００及びコリメートレンズ２０２を含む。ダイヤモンド光磁気センサ２１０から放射される蛍光を観測するための構成（即ち観測系）は、ＬＰＦ２１２及び光検出器２１４を含む。ダイヤモンド光磁気センサ２１０にマイクロ波を照射するための構成（即ちマイクロ波系）は、同軸ケーブル２２０、λ／４変成器５２０及びλ／４オープンスタブ５２２を含む。
　光源２００、コリメートレンズ２０２及び光検出器２１４には、実施例１と同じものを用いた。ＬＰＦ２１２には、実施例１と異なり、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製のＦＧＬ５９０を用いた。同軸ケーブル２２０には、実施例１と同じ特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブルを用いた。λ／４変成器５２０は、マイクロストリップライン線路により構成し、そのインピーダンスは２０Ωであった。λ／４オープンスタブ５２２は、平行２線線路により構成し、そのインピーダンスは３００Ωであった。λ／４変成器５２０はインピーダンス変換器として機能し、同軸ケーブル２２０と、共振器であるλ／４オープンスタブ５２２との間でインピーダンスを精度よく変換でき、マイクロ波を効率的にダイヤモンド光磁気センサ２１０に照射できた。
　励起光として５ｍＷの緑光を照射した。励起光のスポットを直径２０μｍに絞り、パワー密度を３Ｗ／ｍｍ２にした。１Ｗのマイクロ波を、周波数を２．７４ＧＨｚから２．９４ＧＨｚの範囲でスイープさせて、ダイヤモンド光磁気センサ２１０に励起光を照射し、発生する蛍光を測定した。その結果、コーナーキューブにカットしたダイヤモンド及び比較例のダイヤモンドのいずれにおいても、応答速度として３０μ秒が得られた。蛍光強度に対応する、光検出器２１４のフォトダイオードにおける光電流は、比較例のダイヤモンドの場合、１０μＡであったのに対して、コーナーキューブにカットしたダイヤモンドの場合、１００μＡが得られた。
　以上、実施の形態を説明することにより本開示を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本開示は上記した実施の形態のみに制限されるわけではない。本開示の範囲は、発明の詳細な説明の記載を参酌した上で、請求の範囲の各請求項によって示され、そこに記載された文言と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含む。
１００、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、２１０、４００、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０、４８０　　ダイヤモンド光磁気センサ
１０２、２０８、４０８　　光ファイバ
１０４　　ＮＶセンタ
１０６、４０４、４２４、４３４、４４４、４５６、４６６、４７６、４８６　　反射面
１０８　　垂直面
１１０、１１２　　集光素子
１２２　　ダイヤモンド
１２４、４５２、４６２、４７２、４８２　　ガラス
１２６、１３２、１４２、１５２、１６２　　入射面
１２８、１３４、１４４、１５４、１６４　　反射面
１３６　　焦点
２００、５００　　光源
２０２、５０２、５０６、５０８　　コリメートレンズ
２０４、５０４　　ダイクロイックミラー
２０６　　球レンズ
２１２　　ＬＰＦ
２１４、５１０　　光検出器
２２０　　同軸ケーブル
２２２　　マイクロ波照射部
２２４　　終端抵抗
３００　　フレキシブル基板
３０２、３０４　　導電体
３０６、３０８　　領域
４０２、４２２、４３２、４４２、４５４、４６４、４７４、４８４　　微小部分
４１０　　出力面
５２０　　λ／４変成器
５２２　　λ／４オープンスタブ
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ　　点
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ　　長さ
Ｏ　　中心
ｒ　　半径
α、β、γ、δ、θ　　角度

Claims (18)

  1. 　電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、
    　光学系を介して伝搬され、前記ダイヤモンドの内部に入射する励起光を反射する反射面とを含み、
    　前記反射面は、前記励起光により励起された前記カラーセンタから放射される放射光を反射して前記光学系の方向に集光する、ダイヤモンド光磁気センサ。
  2. 　前記励起光は、前記光学系の出力部から前記ダイヤモンドに入射され、
    　前記反射面は、前記放射光を、前記光学系の前記出力部に集光する、請求項１に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  3. 　電子スピンを持つカラーセンタを有するダイヤモンドと、
    　光学系を介して伝搬される励起光を前記ダイヤモンドの内部に入射できる微小部分と、
    　前記微小部分から入射した前記励起光により励起された前記カラーセンタから放射される放射光を反射して、受光素子に導く受光光学系の方向に集光する反射面とを含み、
    　前記反射面は、
    　　前記微小部分よりも大きな面積を持ち、
    　　同一位置から異なる方向に放射された前記放射光を、複数の光路により前記受光光学系まで導く、ダイヤモンド光磁気センサ。
  4. 　前記励起光は、光ファイバの出力部から前記微小部分を経由し、前記ダイヤモンドに入射され、
    　前記放射光は、前記反射面を経由して、前記光ファイバの前記出力部に集光する、請求項３に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  5. 　前記ダイヤモンドを内包し、前記励起光及び前記放射光を透過させる部材をさらに含み、
    　前記反射面は、前記部材に形成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  6. 　前記反射面は、前記ダイヤモンドに形成される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  7. 　前記反射面は、前記ダイヤモンドを内包する部材に形成される、請求項５に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  8. 　前記反射面は、焦点を結ぶ曲面又は複数の平面を含む、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  9. 　前記ダイヤモンドは、平面と球冠とを有し、
    　前記反射面は、前記球冠により形成される、請求項１から請求項６及び請求項８のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  10. 　前記ダイヤモンドは、２つの球冠を有し、
    　前記反射面は、前記２つの球冠のうちの第１の球冠により形成される、請求項１から請求項６及び請求項８のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  11. 　前記ダイヤモンドは、多面体に形成され、
    　前記反射面は、前記多面体の複数の面により形成される、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  12. 　前記反射面は平面を有し、
    　前記励起光の入射軸に垂直な面と前記平面とが成す、前記励起光の入射側の角度は、２０°以上７０°以下である、請求項１から請求項８及び請求項１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  13. 　前記垂直な面と前記平面とが成す前記角度は、３０°以上５０°以下である、請求項１２に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  14. 　前記ダイヤモンドは、コーナーキューブを有する、請求項１から請求項６及び請求項１１のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  15. 　前記ダイヤモンドを内包する前記部材は、コーナーキューブを有する、請求項７に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  16. 　前記光学系は、光ファイバを含み、
    　前記ダイヤモンドの大きさは、前記光ファイバのコア径の１／３以上３倍以下である、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  17. 　前記光学系は、光ファイバを含み、
    　前記ダイヤモンドは、前記光ファイバのコア径を直径とする円に内接する大きさ以上、当該円に外接する大きさ以下である、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  18. 　前記光学系は、光ファイバ及びレンズを含み、
    　前記光ファイバを介して伝搬された前記励起光は、前記レンズから出力されて前記ダイヤモンドに入射され、
    　前記反射面は、前記カラーセンタから放射される前記放射光を、前記レンズに集光し、
    　前記レンズの倍率は、前記光ファイバの開口数の逆数であり、
    　前記ダイヤモンドの大きさは、前記光ファイバのコア径と前記開口数との積の８０％以上１２０％以下の範囲である、請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
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