WO2022210697A1 - ダイヤモンド光磁気センサ及びダイヤモンド光磁気センサシステム - Google Patents

ダイヤモンド光磁気センサ及びダイヤモンド光磁気センサシステム Download PDF

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WO2022210697A1
WO2022210697A1 PCT/JP2022/015395 JP2022015395W WO2022210697A1 WO 2022210697 A1 WO2022210697 A1 WO 2022210697A1 JP 2022015395 W JP2022015395 W JP 2022015395W WO 2022210697 A1 WO2022210697 A1 WO 2022210697A1
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diamond
light
magneto
optical sensor
modulated light
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PCT/JP2022/015395
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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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    • 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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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
    • G01N24/10—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using electron paramagnetic resonance

Definitions

  • the present disclosure relates to a diamond magneto-optical sensor and a diamond magneto-optical sensor system.
  • This application claims priority based on Japanese application No. 2021-059797 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 that has a color center having electron spins and that is irradiated with excitation light, and an irradiation unit that irradiates the diamond with electromagnetic waves for magnetic resonance. receives amplitude-modulated modulated light, and the modulation frequency of the modulated light is in the microwave frequency band.
  • a diamond magneto-optical sensor system includes the above-described diamond magneto-optical sensor, an optical modulation unit that generates modulated light, and a transmission unit that transmits the modulated light, and the modulated light is transmitted from the transmission unit and received by the illuminator.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a diamond magneto-optical sensor system according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the transmission paths of microwaves and excitation light that irradiate diamond.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of an optical power supply section in the diamond magneto-optical sensor system shown in FIG.
  • FIG. 4 is an example of a configuration for generating a reverse bias voltage, and is a block diagram showing a configuration different from that of FIG.
  • FIG. 5 is an example of a configuration for generating a reverse bias voltage, and is a block diagram showing a configuration different from FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of the resonator shown in FIG. FIG.
  • FIG. 7 is a block diagram showing an optical feeding section according to a first modified example.
  • FIG. 8 is a block diagram showing transmission paths of microwaves and excitation light applied to diamond in a diamond magneto-optical sensor system according to the second modification.
  • FIG. 9 is a block diagram showing transmission paths of microwaves and excitation light applied to diamond in a diamond magneto-optical sensor system according to the third modification.
  • FIG. 10 is a block diagram showing transmission paths of microwaves and excitation light irradiated to diamond in a diamond magneto-optical sensor system according to a fourth modification.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of the measuring device used in the experiment.
  • FIG. 12 is a perspective view showing the shape of diamond used in the experiment.
  • FIG. 13 is a graph showing experimental results of transmitting microwaves by optical feeding.
  • FIG. 14 is a graph showing changes in the intensity of fluorescence emitted from NV centers in diamond.
  • FIG. 15 is a graph showing experimental results of microwave transmission through
  • the frequency of the microwave that causes the NV center to magnetically resonate is approximately 3 GHz, and the wavelength of the microwave is approximately 10 cm in space. Therefore, the size of the receiving antenna is also required to be about 10 cm. Since the antenna is composed of a conductor, it is necessary to ensure insulation separation and avoid electric field concentration so as not to cause dielectric breakdown in the measurement of high-voltage power equipment. However, if the receiving antenna is as large as 10 cm, it is difficult to secure insulation and avoid electric field concentration. In addition, the Radio Law restricts the emission of radio waves of about 3 GHz into the air. Due to these restrictions, there is a problem that free and flexible measurement cannot be performed.
  • an object of the present disclosure is to provide a diamond magneto-optical sensor and a diamond magneto-optical sensor system that can be easily used for measurement in high-voltage power equipment.
  • a diamond magneto-optical sensor includes a diamond that has a color center having electron spins, is irradiated with excitation light, and an irradiation unit that irradiates the diamond with electromagnetic waves for magnetic resonance. and the irradiating unit receives amplitude-modulated modulated light, and the modulation frequency of the modulated light is included in the microwave frequency band.
  • the irradiation unit may further include a photoelectric conversion unit that converts the modulated light into an electric signal, and the electromagnetic wave for magnetic resonance is formed by the electric signal generated by the photoelectric conversion unit and irradiated onto the diamond.
  • a photoelectric conversion unit that converts the modulated light into an electric signal
  • the electromagnetic wave for magnetic resonance is formed by the electric signal generated by the photoelectric conversion unit and irradiated onto the diamond.
  • the photoelectric conversion section may include a photodiode that converts the modulated light into an electrical signal, and the irradiation section further includes a first bias tee that extracts an AC component from the electrical signal generated by the photodiode.
  • the electromagnetic wave for magnetic resonance may be formed by alternating current components.
  • the photoelectric conversion section may include a photoelectric conversion element that converts a portion of light including at least one kind of light from the light projector, the modulated light, and the excitation light into an electric potential. may extract an AC component from an electrical signal by applying a potential generated by a photoelectric conversion element. This allows electrical isolation between the diamond and the light source and microwave source. Also, the life of the diamond magneto-optical sensor is lengthened.
  • the photoelectric conversion unit includes a photoelectric conversion element that converts a part of light including at least one kind of light from the light source, the modulated light, and the excitation light into power, and the output of the photodiode or the first bias tee. and an amplifier that amplifies the signal, and the output signal may be amplified by applying power generated by the photoelectric conversion element to the amplifier.
  • the wavelength of the carrier wave of the modulated light may have a different wavelength from that of the excitation light. This makes it possible to easily transmit the modulated light and the pumping light using the same optical fiber, and reduce the number of parts.
  • the wavelength of the carrier wave of the modulated light may be included in the near-infrared light wavelength band. This facilitates the generation and transmission of modulated light.
  • the excitation light may have the same wavelength as the carrier wave of the modulated light, and the modulated light may be generated by amplitude-modulating the excitation light. As a result, only the excitation light needs to be generated, so the number of parts can be reduced.
  • the modulated light may be laser light. This makes it possible to increase the intensity of the modulated light and transmit the modulated light over a longer distance.
  • the modulated light may be output from the laser diode by controlling the drive current of the laser diode to vary with the modulation frequency. Thereby, the modulated light can be easily generated by the direct modulation method, and the modulation device can be miniaturized.
  • the modulated light may be output from the LN element, to which the laser light is input, controlled by a modulation signal of the modulation frequency. This enables high-speed modulation and generates modulated light with a high modulation frequency.
  • the drive current of the laser diode may be controlled by the second bias tee. This makes it possible to easily generate modulated light using a laser diode.
  • the excitation light may be laser light. As a result, excitation light can be easily generated using a laser diode or the like.
  • the modulated light may be transmitted through the first optical fiber and received by the illuminator. Thereby, the modulated light can be reliably transmitted to the irradiation section. Also, the diamond magneto-optical sensor can be safely used in high-voltage power equipment.
  • the excitation light may be transmitted by a second optical fiber and applied to the diamond.
  • the excitation light can be reliably transmitted to the irradiation section.
  • the diamond magneto-optical sensor can be safely used in high-voltage power equipment.
  • the excitation light may be transmitted through the first optical fiber and applied to the diamond.
  • modulated light and pumping light can be transmitted through one optical fiber, the number of parts can be reduced, and manufacturing is facilitated.
  • the irradiation unit may include a resonator, and the diamond may be arranged in the resonator.
  • diamond can be efficiently irradiated with electromagnetic waves (that is, microwaves).
  • the diamond may be placed within 5 mm from the photoelectric conversion section. As a result, the diamond can be irradiated with high-power electromagnetic waves (that is, microwaves).
  • the irradiation unit may irradiate diamond with the modulated light that is input as electromagnetic waves for magnetic resonance. This eliminates the need for a photoelectric conversion device for converting modulated light into an electrical signal, reduces the number of parts, and facilitates manufacturing.
  • the diamond magneto-optical sensor may further include a housing section formed in a smooth shape by a conductive member, and the diamond and the irradiation section may be housed in the housing section. This allows the diamond magneto-optical sensor to be used safely in high-voltage power equipment.
  • a diamond magneto-optical sensor system includes the above-described diamond magneto-optical sensor, an optical modulator that generates modulated light, and a transmitter that transmits modulated light, wherein the modulated light is transmitted through the transmission unit and received by the irradiation unit.
  • the transmission paths of excitation light, microwaves and fluorescence transmitted between the diamond magneto-optical sensor and the measuring instrument can all be made of non-metallic materials, so that dielectric breakdown can be prevented during measurements in high-voltage power equipment. It is easy to secure an insulating separation for avoidance, and the degree of freedom and flexibility of measurement is improved.
  • electromagnetic waves that is, microwaves
  • the measurement environment is not limited to the inside of the shield room, and the measurement can be made in any environment.
  • the microwave is not spatially transmitted using an antenna or the like, it is not restricted by the Radio Law. Therefore, the measurement environment is not limited to the inside of the shield room, and the measurement can be made in any environment.
  • the diamond magneto-optical sensor system 100 includes a diamond 104, a photoelectric conversion unit 106, a transmission unit 108, a modulated signal generation unit 110, an optical modulation unit 112, an optical fiber 114, an excitation light It includes a generator 120 , a demultiplexer 122 , a light collector 124 , an optical fiber 126 and a controller 130 .
  • Diamond 104 contains NV centers. The supply of microwaves to the diamond 104 is performed by optical feeding.
  • the diamond 104, photoelectric conversion section 106 and transmission section 108 constitute a diamond magneto-optical sensor.
  • the diamond 104, the photoelectric conversion section 106, and the transmission section 108 are placed in a conductive case 102 such as metal in order to avoid electric field concentration. preferably accommodated.
  • the control unit 130 controls the modulation signal generation unit 110 and the excitation light generation unit 120, irradiates the diamond 104 with microwaves and excitation light, and detects fluorescence emitted from the diamond 104 by the detection unit 128. and acquire it as measurement data.
  • the control unit 130 is implemented by a CPU (Central Processing Unit), a microcomputer, or the like.
  • the modulated signal generator 110 receives control from the controller 130 to generate a signal of a predetermined frequency (that is, microwave frequency band) and inputs it to the optical modulator 112 .
  • the optical modulator 112 amplitude-modulates the light of a predetermined frequency using the signal supplied from the modulated signal generator 110 to generate and output modulated light. That is, the signal output from the modulated signal generator 110 is a modulated signal used to generate modulated light.
  • the frequency of the signal output from the modulated signal generator 110 is the modulated frequency.
  • the light of predetermined frequency that is modulated is the carrier wave.
  • the modulated light generated by the optical modulator 112 is transmitted to the photoelectric converter 106 through the optical fiber 114 .
  • the photoelectric conversion unit 106 converts the modulated light transmitted via the optical fiber 114 into an electric signal (that is, photoelectric conversion) and inputs the electric signal to the transmission unit 108 .
  • an electrical signal having the carrier frequency that is, the microwave frequency band
  • the transmission unit 108 increases the input electrical signal, that is, current, and transmits it to the diamond 104 .
  • An electromagnetic wave formed by an electrical signal transmitted through the transmission section 108 is irradiated onto the diamond 104 and used for magnetic resonance of the NV center.
  • the photoelectric conversion unit 106 and the transmission unit 108 constitute an irradiation unit 116
  • the modulated signal generation unit 110, the optical modulation unit 112, the optical fiber 114, and the irradiation unit 116 constitute light for irradiating the diamond 104 with microwaves.
  • a power supply unit 118 is configured.
  • the excitation light generation unit 120 Under the control of the control unit 130, the excitation light generation unit 120 generates and outputs excitation light (that is, green light) for the NV center.
  • the excitation light generated by the excitation light generator 120 is reflected by the demultiplexer 122 , condensed by the condensing section 124 , and enters the optical fiber 126 .
  • the demultiplexer 122 reflects or transmits incident light according to the wavelength of the incident light.
  • the splitter 122 is, for example, a dichroic mirror, which here reflects green excitation light and transmits red fluorescence.
  • Optical fiber 126 transmits the input excitation light to diamond 104 .
  • the diamond 104 is irradiated with excitation light, and fluorescence (that is, red light) is emitted from the NV center of the diamond 104 .
  • Fluorescence emitted from diamond 104 enters optical fiber 126 , is transmitted by optical fiber 126 , and is emitted from the output end of optical fiber 126 .
  • Fluorescence emitted from the output end of the optical fiber 126 is collimated by the light collector 124 , passes through the demultiplexer 122 , and enters the detector 128 .
  • the detector 128 detects the intensity of incident fluorescence.
  • the control unit 130 acquires the signal detected by the detection unit 128 as measurement data. Thereby, the magnetic field and the like can be measured by the diamond magneto-optical sensor system 100 .
  • the microwaves irradiated to the diamond 104 in the diamond magneto-optical sensor system 100 are supplied by optical power. That is, referring to FIG. 2, the microwave applied to the diamond 104 is transmitted as light (that is, modulated light) to the vicinity of the diamond 104 through the optical fiber 114, and then converted into an electric signal to form an electromagnetic wave (that is, microwave).
  • the excitation light of the NV center is output from the excitation light generator 120 and transmitted to the diamond 104 through the optical fiber 126 . Fluorescence emitted from the NV center is transmitted by optical fiber 126 to detector 128 .
  • the transmission paths of excitation light, microwaves, and fluorescence transmitted between the diamond magneto-optical sensor and the measuring device can all be constructed of non-metallic members (for example, optical fibers). Therefore, in the measurement of high-voltage power equipment, it is easy to secure insulation separation for avoiding dielectric breakdown, and the degree of freedom and flexibility of measurement is improved.
  • modulated signal generator 110 includes VCO 140 , attenuator 142 , amplifier 144 , circulator 146 and terminator 148 .
  • the optical modulation section 112 includes a bias tee 150, a current source 152 and an LD (laser diode) 154.
  • FIG. Optical fiber 114 includes optical fiber 156 .
  • the photoelectric conversion unit 106 includes a PD (photodiode) 158, a bias tee 160 and a voltage source 162.
  • Transmission section 108 includes circulator 164 , terminator 166 and resonator 168 .
  • the VCO 140 generates and outputs an electrical signal with a constant frequency.
  • the constant frequency is included in the microwave frequency band.
  • the output signal of the VCO 140 is shaped by an attenuator 142 and an amplifier 144 into a signal of a predetermined level without changing the frequency.
  • Circulator 146 provides the signal provided by amplifier 144 to bias tee 150 . A portion of the signal supplied from circulator 146 to bias tee 150 may be reflected back into circulator 146 . To avoid this affecting the output signal of amplifier 144, circulator 146 diverts the signal returning from bias tee 150 to and is consumed by terminator 148, as indicated by the dashed arrow.
  • Terminator 148 is, for example, a 50 ⁇ terminator.
  • the bias tee 150 adds a constant current supplied from the current source 152 to the constant frequency signal supplied from the circulator 146 and outputs the result.
  • the current source 152 functions as a constant current source for supplying the drive current (ie bias current) of the LD 154 .
  • the LD 154 is driven by an output signal from the bias tee 150 and outputs laser light. Since the output signal from the bias tee 150 is a constant level current superimposed with a constant frequency (that is, microwave frequency) supplied from the circulator 146, the laser light output from the LD 154 is amplitude-modulated light. (that is, modulated light). That is, the LD 154 is controlled by a direct modulation method and outputs modulated light.
  • a constant frequency (ie microwave frequency) supplied from circulator 146 serves as a modulating signal for the modulated light output from bias tee 150 .
  • the modulated light output from the LD 154 is transmitted to the PD 158 through the optical fiber 156.
  • the PD 158 photoelectrically converts the modulated light input from the optical fiber 156 .
  • a reverse bias voltage must be applied to the PD 158 in order for the PD 158 to perform photoelectric conversion.
  • a reverse bias voltage is supplied from voltage source 162 and applied to PD 158 through bias tee 160 .
  • the voltage source 162 is a power source that outputs a constant voltage, and is, for example, a battery (eg, a dry battery).
  • a photoelectric conversion element that converts light into electric potential is used instead of the battery.
  • Natural light may be used as the light to irradiate the photoelectric conversion element, but as will be described later, a light projector may be provided to generate light. More preferably, as will be described later, it is efficient to irradiate the photoelectric conversion element with a part of the modulated light or excitation light that is irradiated onto the diamond, or the leakage light of the fluorescence emitted from the diamond. .
  • electrical isolation between the diamond and the light and microwave sources is achieved through the use of batteries, or mechanisms that generate electric potentials with light.
  • the structure using a light source is more complicated than the structure using a battery, but the life of the diamond magneto-optical sensor system 100 is longer.
  • the PD 158 converts the modulated light input from the optical fiber 156 into an electrical signal and outputs the electrical signal to the bias tee 160 .
  • the electrical signal output from the PD 158 is a signal in which an AC component having the same frequency as the modulation frequency (that is, microwave frequency) of the modulated light is superimposed on the DC component.
  • the electrical signal output from the PD 158 may be amplified by the power amplifier and input to the bias tee 160, or the electrical signal output from the bias tee 160 may be power amplified.
  • Power for the power amplifier is supplied by, for example, a battery.
  • a photoelectric conversion element that converts light into electric power is used instead of the battery.
  • a light projector may be provided to generate light. More preferably, it is efficient to irradiate the photoelectric conversion element with a part of the modulated light or the excitation light that irradiates the diamond, or the leakage light of the fluorescence emitted from the diamond.
  • the use of a battery or the mechanism of generating power by light realizes electrical isolation between the diamond and the light source and the microwave source, so that the diamond can be irradiated with higher power microwaves, resulting in higher sensitivity. magnetic detection becomes possible.
  • the structure using a light source is more complicated than the structure using a battery, but the life of the diamond magneto-optical sensor system 100 is longer.
  • the bias tee 160 adds the constant voltage supplied from the voltage source 162 (that is, the reverse bias voltage of the PD 158) to the signal input from the PD 158 and outputs the result. That is, the bias tee 160 cuts the DC component from the signal input from the PD 158 and outputs the AC component.
  • the voltage source 162 for supplying the reverse bias voltage of the PD 158 is not limited to the dry battery described above.
  • a reverse bias voltage may be generated using a photoelectric conversion element.
  • a solar cell 300 and a floodlight 302 may be used in place of the voltage source 162 in FIG.
  • a photodiode 304 may be used instead of the voltage source 162 . 4 and 5 both show a portion including the bias tee 160 extracted from the configuration shown in FIG.
  • solar cell 300 is irradiated with light output from projector 302 and generates a DC voltage.
  • Light output from the light projector 302 is indicated by a dashed line.
  • the generated DC voltage is supplied to bias tee 160 as a reverse bias voltage for PD 158 .
  • the DC component is cut from the signal input from the PD 158 to the bias tee 160, and only the AC component is output.
  • the light irradiated to solar cell 300 is not limited to the light output from light projector 302 .
  • the solar cell 300 may be irradiated with natural light. Further, as will be described later, the solar cell 300 may be irradiated with a part of modulated light or excitation light, or leakage light of fluorescence emitted from diamond.
  • the photodiode 304 is irradiated with leakage excitation light 306, which is part of the excitation light irradiated onto the diamond 104 (see FIG. 3), and generates a DC voltage.
  • the generated DC voltage is supplied to bias tee 160 as a reverse bias voltage for PD 158 .
  • the DC component is cut from the signal input from the PD 158 to the bias tee 160, and only the AC component is output.
  • the light irradiated to the photodiode 304 is not limited to the leakage excitation light 306 . Natural light may illuminate the photodiode 304 .
  • the photodiode 304 may be irradiated with part of the modulated light input to the PD 158 from the optical fiber 156 (see FIG. 3). In this case, it is necessary to devise a general electronic circuit using a Zener diode or the like in order to keep the output potential of the photodiode constant. Further, the photodiode 304 may be irradiated with a part of the fluorescence leakage light from the diamond.
  • the AC signal (that is, microwave) output from the bias tee 160 is input to the circulator 164 .
  • Circulator 164 outputs the signal supplied from bias tee 160 to resonator 168 .
  • a portion of the signal provided to resonator 168 from circulator 164 may be reflected back into circulator 164 .
  • circulator 164 diverts the signal returning from resonator 168 to terminator 166, as indicated by the dashed arrow, for consumption by terminator 166.
  • Terminator 166 is, for example, a 50 ⁇ terminator.
  • the resonator 168 increases the supplied microwave and irradiates the diamond 104 with it.
  • Resonator 168 includes, for example, impedance transformer 170 and resonator 172, see FIG.
  • Diamond 104 is placed in the vicinity of resonator 172 (including inside resonator 172).
  • Impedance transformer 170 is, for example, a ⁇ /4 transformer
  • resonator 172 is, for example, ⁇ /4 stub.
  • the resonator 172 is formed, for example, by two parallel-arranged copper wires having a length of 1/4 the electrical length of the microwave, and the end opposite the end connected to the impedance transformer 170.
  • a stub with a section open ie, a ⁇ /4 open stub).
  • the resonator 172 is formed, for example, by two sheets of copper foil having a length of 1/4 of the electrical length of the microwave, which are arranged in parallel and face each other, and whose ends are connected to the impedance converter 170. It may also be a stub whose side ends are connected (ie shorted) (ie ⁇ /4 short stub). Impedance transformer 170 allows the impedance of circulator 164 to be lowered or raised as seen by resonator 172 .
  • Resonator 172 functions as a series resonant circuit or a parallel resonant circuit to boost the microwaves supplied. As a result, the diamond 104 is irradiated with microwaves that cause magnetic resonance in the NV center of the diamond 104 .
  • the resonator 168 may be a microstripline resonator or a coplanar waveguide resonator.
  • excitation light, microwave and The fluorescence transmission path can be constructed by optical fibers 114 and 126 (see FIG. 1), all of which are non-metallic members. Therefore, in the measurement of high-voltage power equipment, it is easy to secure insulation separation for avoiding dielectric breakdown, and the degree of freedom and flexibility of measurement is improved.
  • the measurement environment is not limited to the inside of the shield room, and the measurement can be made in any environment.
  • the diamond magneto-optical sensor that is, the diamond 104, the photoelectric conversion section 106 and the transmission section 108 can be made more compact than the wavelength of the electromagnetic wave used for measurement (for example, about 10 cm), and can be used in a spherical or other non-angular case. can accommodate. Therefore, it is easy to avoid electric field concentration in measurements in high-voltage power equipment.
  • the diamond magneto-optical sensor includes the NV center and the microwave is transmitted by optical feeding
  • Any sensor that utilizes light whose intensity is modulated to a frequency in the electromagnetic wave domain may be used.
  • the electromagnetic waves are transmitted by optical feeding. More preferably, electromagnetic waves in the microwave frequency band are transmitted by optical feeding. More preferably, electromagnetic waves with a frequency of 1 GHz to 5 GHz are transmitted by optical feeding.
  • the PD 158 preferably generates microwaves from the modulated light, but is not limited to this. Any device that performs discharge conversion or a sensor that utilizes an element may be used.
  • the wavelength of the carrier wave of the modulated light is preferably included in the wavelength band of near-infrared light. This facilitates the generation and transmission of modulated light.
  • the modulated light is laser light output from the LD 154. This makes it possible to increase the intensity of the modulated light and transmit the modulated light over a longer distance.
  • the modulated light is light output from the LD 154 by controlling the drive current for the LD 154 supplied by the current source 152 to vary with the modulation frequency.
  • the modulated light can be easily generated by the direct modulation method, and the modulation device can be miniaturized.
  • the drive current for the LD 154 supplied by the current source 152 is controlled by the bias tee 150. Thereby, modulated light can be easily generated using the LD 154 .
  • the excitation light is laser light. Thereby, the excitation light can be easily generated using the excitation light generator 120 .
  • the modulated light is transmitted through the optical fiber 114 and received by the irradiation section 116 . Thereby, the modulated light can be reliably transmitted to the irradiation unit 116 . Also, the diamond magneto-optical sensor can be safely used in high-voltage power equipment.
  • the excitation light is transmitted by the optical fiber 126 and applied to the diamond 104 .
  • the excitation light can be reliably transmitted.
  • the diamond magneto-optical sensor can be safely used in high-voltage power equipment.
  • transmission section 108 preferably includes resonator 168 and diamond 104 is positioned in resonator 168 .
  • diamond can be efficiently irradiated with electromagnetic waves (that is, microwaves).
  • the diamond 104 is positioned within 10 mm from the PD158. More preferably, diamond 104 is positioned within 5 mm of PD 158 . More preferably, diamond 104 is positioned within 3 mm of PD 158 . As a result, the diamond 104 can be irradiated with stronger electromagnetic waves (that is, microwaves).
  • the diamond 104, the photoelectric conversion section 106 and the transmission section 108 are preferably housed in the conductive case 102 to avoid electric field concentration.
  • the case 102 includes an opening for passing an optical fiber 114 for transmitting modulated light to the photoelectric conversion unit 106 and an optical fiber 126 for transmitting excitation light to the diamond 104, and is substantially sealed. is preferred.
  • the outer shape of the case 102 may be formed smoothly without corners, and is preferably in the shape of a sphere, an ellipsoid, or the like. As a result, the diamond magneto-optical sensor can be used safely in high-voltage power equipment and the like.
  • the modulated light is generated by the direct modulation method in the above description, the modulated light may be generated by the external modulation method.
  • the optical feeding section 118 shown in FIG. 1 may be configured as shown in FIG.
  • An optical power supply unit according to the first modification generates modulated light by an external modulation method.
  • the configuration shown in FIG. 7 differs from that in FIG. 3 only in the configuration of the optical modulation section 112 .
  • Other configurations in FIG. 7 are the same as in FIG. Therefore, in the following, the different points will be mainly described without repeating redundant description.
  • the constant frequency electrical signal output from VCO 140 is transmitted to circulator 146 via attenuator 142 and amplifier 144, and supplied from circulator 146 to LN element 180.
  • the signal supplied from circulator 146 to LN element 180 is a modulating signal used to generate modulated light, as described below.
  • the current source 152 is a constant current source and supplies the LD 154 with a drive current (that is, a bias current) for driving the LD 154 .
  • the LD 154 is driven by an output signal from the bias tee 150 and outputs laser light with a constant frequency and amplitude.
  • Laser light output from bias tee 150 is input to LD 154 via optical fiber 182 .
  • the LN element 180 is an optical modulator made of lithium niobate (LiNbO 3 ). The LN element 180 amplitude-modulates the input laser light using the signal from the circulator 146 as a modulation signal, and outputs modulated light. That is, the LN element 180 generates modulated light by the external modulation method.
  • the modulated light output from the LN element 180 is transmitted to the PD 158 through the optical fiber 156 as described above, photoelectrically converted by the PD 158 into microwaves, and irradiated onto the diamond 104 via the resonator 168 .
  • the diamond magneto-optical sensor ie diamond 104, photoelectric conversion unit 106 and transmission unit 108) and measuring equipment (ie detection unit 128 and control unit 130 etc.)
  • the transmission paths for excitation light, microwaves and fluorescence transmitted between can be formed by optical fibers 114 and 126 (see FIG. 1), all of which are non-metallic members. Therefore, in the measurement of high-voltage power equipment, it is easy to secure insulation separation for avoiding dielectric breakdown, and the degree of freedom and flexibility of measurement is improved. Since electromagnetic waves (that is, microwaves) are not spatially transmitted using an antenna or the like, they are not restricted by the Radio Law.
  • the measurement environment is not limited to the inside of the shield room, and the measurement can be made in any environment.
  • the diamond magneto-optical sensor that is, the diamond 104, the photoelectric conversion section 106 and the transmission section 108 can be made more compact than the wavelength of the electromagnetic wave used for measurement (for example, about 10 cm), and can be used in a spherical or other non-angular case. can accommodate. Therefore, it is easy to avoid electric field concentration in measurements in high-voltage power equipment.
  • both the modulated light output from the optical modulator 112 (see FIG. 1) and the pump light output from the pump light generator 120 are transmitted through an optical fiber 190.
  • FIG. The carrier frequency of the modulated light is different from the frequency of the pump light.
  • the modulated light output from the output end of the optical fiber 190 is input to the photoelectric conversion unit 106 and photoelectrically converted as described above to generate microwaves.
  • Diamond 104 is irradiated with the generated microwaves.
  • the excitation light output from the output end of the optical fiber 190 is directly applied to the diamond 104 .
  • the fluorescence emitted from the diamond 104 may be transmitted to the detection section 128 through another optical fiber or may be transmitted to the detection section 128 through the branching filter 192 . In this way, by having the wavelength of the carrier wave of the modulated light different from that of the excitation light, the modulated light and the excitation light can be easily transmitted using the same optical fiber, and the number of parts can be reduced.
  • an optical element may be arranged so that the optical paths of the modulated light and the pumped light overlap at the input end of the optical fiber 190.
  • a dichroic mirror can be used.
  • the modulated light can be transmitted through a dichroic mirror and enter the optical fiber 190 , and the excitation light can be reflected by the dichroic mirror and enter the optical fiber 190 .
  • modulated pumping light is transmitted through an optical fiber 190 .
  • the modulated pumping light is generated by amplitude-modulating the pumping light of the NV center using a microwave frequency signal as a modulating signal.
  • the carrier frequency of the modulated pump light is the same as the frequency of the pump light.
  • the modulated optical pumping light output from the output end of the optical fiber 190 is split into two optical paths by the splitter 194 .
  • the light on the first optical path is input to the photoelectric conversion unit 106 and photoelectrically converted as described above to generate microwaves.
  • Diamond 104 is irradiated with the generated microwaves.
  • the light of the second optical path is directly applied to the diamond 104 as excitation light.
  • the modulated pumping light incident on the optical fiber 190 can be generated by externally modulating the pumping light output from the pumping light generator 120 (see FIG. 1) using the LN element 180 as shown in FIG. .
  • modulating the excitation light there is no need to provide an LD (LD 154 shown in FIGS. 3 and 7) for generating modulated light, the number of parts can be reduced, and manufacturing is facilitated.
  • the modulated pumping light is transmitted through optical fiber 190 in the same manner as in FIG.
  • the modulated pumping light is generated by amplitude-modulating the pumping light of the NV center using a microwave frequency signal as a modulating signal.
  • the modulated optical excitation light output from the output end of the optical fiber 190 is directly applied to the diamond 104 . That is, the modulated excitation light is used as excitation light for NV centers and microwaves for magnetic resonance. This eliminates the need for the photoelectric conversion unit 106 for photoelectric conversion, reduces the number of parts, and facilitates manufacturing.
  • 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.
  • the present invention is not limited to this.
  • optical fibers lenses and mirrors may be used to spatially transmit the modulated beam.
  • a diamond having NV centers was irradiated with microwaves and excitation light using the measuring apparatus configured as shown in FIG. 11, and fluorescence intensity emitted from the NV centers was measured.
  • the diamond magneto-optical sensor 216 of the measuring apparatus is composed of the diamond 104, the photoelectric conversion section 106 and the transmission section 108 shown in FIG.
  • the diamond 104 of FIG. 3 has been replaced by a diamond 210 .
  • a microwave supply source 220 that is, a microwave system
  • a configuration for irradiating the diamond 210 contained in the diamond magneto-optical sensor 216 with excitation light includes a light source 200 , a collimating lens 202 , a dichroic mirror 204 , a ball lens 206 and an optical fiber 208 .
  • a configuration for observing fluorescence emitted from the diamond 210 includes an optical fiber 208 , a ball lens 206 , a dichroic mirror 204 , an LPF (Long Pass Filter) 212 and a photodetector 214 .
  • an electrical signal with a predetermined frequency of 3 dBm was output from the VCO 140.
  • the predetermined frequency was varied within the range of 2.7 GHz to 2.94 GHz.
  • the output signal of VCO 140 was attenuated by -20 dB by attenuator 142 , amplified by +40 dB by amplifier 144 , and input to circulator 146 .
  • LPSC-1550-FC manufactured by Thorlabs was used as the LD 154, and a bias current of 130 mA was output from the current source 152 and supplied to the LD 154 through the bias tee 150 to generate modulated light by the direct modulation method.
  • Optical fiber 156 transmitted modulated light containing a DC component of 15 mW and an AC component of 10 mWrms (rms) to diamond magneto-optical sensor 216 .
  • FGA01FC manufactured by Thorlabs was used for the PD158 constituting the diamond magneto-optical sensor 216 .
  • a dry battery was used as the voltage source 162, and a reverse bias voltage of 9 V was output from the voltage source 162 and supplied to the PD 158 via the bias tee 160 to generate a microwave electric signal by photoelectric conversion.
  • the generated microwave was transmitted to a resonator 168 via a circulator 164 with a characteristic impedance of 50 ⁇ .
  • a ⁇ /4 transformer and a ⁇ /4 open stub resonator are used for the resonator 168 .
  • microwaves generated by a microwave generator (not shown) were transmitted using a coaxial cable with a characteristic impedance of 50 ⁇ , and the coplanar waveguide described above was used.
  • the diamond 210 was irradiated through the resonator.
  • the frequency of microwaves transmitted by the coaxial cable was also varied in the range of 2.74 GHz to 2.94 GHz.
  • 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 onto a diamond 210 .
  • an optical fiber 208 specifically, a core
  • MS-08-4.35P1 diameter 8 mm
  • 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.
  • 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.
  • Type Ib diamond is used as the diamond 210, 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 , followed by annealing at 800° C. for about 1 hour. to produce a diamond containing NV centers. As shown in FIG. 12, this was cut into a corner cube having a hypotenuse of 1 mm to produce a diamond 210. As shown in FIG. The diamond shown in FIG. 12 is a triangular pyramid with points A, B, C and D as vertices and angles ⁇ , ⁇ and ⁇ all at right angles.
  • the excitation light that is, green light
  • the excitation light that is, green light
  • the excitation light incident inside the diamond is internally reflected by the three planes (i.e., triangles ABD, BCD and ACD) that act as reflective surfaces since diamond has a refractive index of about 2.5, and is more than not reflected. It irradiates the NV center through a long optical path. Fluorescence (i.e., red light) emitted from the NV center is internally reflected by the three planes described above functioning as reflecting surfaces, exits from the plane of triangle ABC into which the excitation light is incident, and enters the optical fiber 208 described above. do.
  • the three planes i.e., triangles ABD, BCD and ACD
  • FIG. 13 shows the results of measuring the fluorescence emitted from the diamond 210 by irradiating the diamond 210 with microwaves optically fed using the microwave source 220 as described above.
  • the horizontal axis represents the frequency of the microwave irradiated to the diamond 210 (that is, the frequency of the VCO 140), and the vertical axis represents the fluorescence intensity measured by the photodetector 214.
  • FIG. 13 By changing the microwave frequency while keeping the microwave power constant, a trough in the intensity of the red fluorescence emitted from the NV center of the diamond (ie, the red light intensity) could be observed. From this, the spin detection contrast ratio (that is, the value obtained by dividing the size S of the valley in the graph shown in FIG.
  • Equation 1 ⁇ is the gyromagnetic ratio (ie, constant) and is close to the gyromagnetic ratio of electrons (ie, 1.76 ⁇ 10 11 rad/s/T).
  • ⁇ is the fluorescence detection efficiency and C is the spin detection contrast ratio.
  • 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. From the above theoretical expression of sensitivity (Equation 1), the higher the spin detection contrast ratio, the smaller the sensitivity ⁇ B and the higher the sensitivity.
  • FIG. 15 shows the results of measuring the fluorescence emitted from the diamond 210 by transmitting microwaves through a coaxial cable and irradiating the diamond 210 .
  • the horizontal axis represents the frequency of the microwave irradiated to the diamond 210 and the vertical axis represents the fluorescence intensity measured by the photodetector 214 .
  • the power of the microwave constant and changing the frequency of the microwave
  • the trough of the intensity of the red fluorescence emitted from the NV center of the diamond that is, the red light intensity
  • a contrast ratio of about 2% was obtained. Since the microwave was transmitted through a coaxial cable, a circulator was not included. Therefore, in the measurement results shown in FIG. 15, the fluctuation of the fluorescence intensity baseline fluctuates by about ⁇ 1%.
  • Example 1 a measuring apparatus having the configuration shown in FIG. 11 is employed, and a microwave source 220 different from that in Example 1 is used to irradiate a diamond 210 having an NV center with microwaves and excitation light, Fluorescence intensity emitted from NV centers was measured.
  • the microwave supply source 220 uses an LN element to input an external electrical modulation signal to form modulated light.
  • Other parts were the same experimental configuration as in Example 1. With such a configuration, it was possible to generate modulated light using the LN element. After passing through an optical fiber, the modulated light was converted to microwaves by a PD and a bias tee and irradiated onto diamond.
  • the frequency of the microwave a spectrum similar to that in FIG. 13 in which the fluorescence intensity drops at the resonance frequency could be obtained.
  • the frequency position of the dip in the spectrum shifts depending on the strength of the magnetic field, confirming that the magnetic field can be detected.
  • Example 1 the measurement apparatus having the configuration shown in FIG. Excitation light was applied and fluorescence intensity emitted from the NV center was measured. Specifically, as shown in FIG. 8, the modulated light and the pumping light were combined and entered into the same optical fiber for transmission. On the emission side, the light was again split by the splitter, and from the split modulated light, microwaves were generated by the PD and bias tee in the photoelectric conversion section, and could be irradiated to the diamond. By controlling the frequency of the modulated light and changing the frequency of the microwave, it was possible to obtain a spectrum similar to that in FIG. 13, in which the fluorescence intensity drops at the resonance frequency. The frequency position of the dip in the spectrum shifts depending on the strength of the magnetic field, confirming that the magnetic field can be detected.
  • Example 1 the measurement apparatus having the configuration shown in FIG. The fluorescence intensity emitted from was measured.
  • a power amplifier amplifier
  • the PD corresponding to the PD 158 in FIG. 3
  • the modulated light is converted into an electric signal to generate electric power.
  • a bias tee (corresponding to the bias tee 160 in FIG. 3) was used to separate the high frequency component and the DC component.
  • the diamond 210 was irradiated with the high frequency component.
  • a DC component separated by a bias tee was used for the power of the power amplifier.
  • Example 1 the measurement apparatus having the configuration shown in FIG. 11 is adopted, and the voltage source 162 is replaced with a dry battery (9 V), and a solar battery with a rated output of 5 V and 2 W is used (see FIG. 4).
  • a diamond 210 having a center was irradiated with microwaves and excitation light, and fluorescence intensity emitted from the NV center was measured.
  • a floodlight was used to irradiate the solar cell with light.
  • By changing the frequency of the modulated light to change the frequency of the microwave it was possible to obtain a spectrum similar to that in FIG. 13, in which the fluorescence intensity drops at the resonance frequency.
  • the frequency position of the dip in the spectrum shifts depending on the strength of the magnetic field, confirming that the magnetic field can be detected.
  • diamond magneto-optical sensor system 102 case 104, 210 diamond 106 photoelectric conversion unit 108 transmission unit 110 modulation signal generation unit 112 optical modulation unit 114, 126, 156, 182, 190, 208 optical fiber 116 irradiation unit 118 optical power supply unit 120 excitation Light generating units 122, 192 Demultiplexer 124 Condensing unit 128 Detecting unit 130 Control unit 140 VCO 142 Attenuator 144 Amplifier 146, 164 Circulator 148, 166 Terminator 150, 160 Bias Tee 152 Current Source 154 LD 158 PDs 162 voltage source 168 resonator 170 impedance converter 172 resonator 180 LN element 194 distributor 200 light source 202 collimator lens 204 dichroic mirror 206 ball lens 212 LPF 214 Photodetector 216 Diamond magneto-optical sensor 220 Microwave source 300 Solar cell 302 Light emitter 304 Photodiode 306 Leakage excitation light A, B, C

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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し、励起光が照射されるダイヤモンドと、カラーセンタの励起光及び磁気共鳴用の電磁波をダイヤモンドに照射する照射部とを含み、照射部は、振幅変調された変調光を受信し、変調光の変調周波数は、マイクロ波の周波数帯に含まれる。

Description

ダイヤモンド光磁気センサ及びダイヤモンド光磁気センサシステム
　本開示は、ダイヤモンド光磁気センサ及びダイヤモンド光磁気センサシステムに関する。本出願は、２０２１年３月３１日出願の日本出願第２０２１－０５９７９７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し、励起光が照射されるダイヤモンドと、磁気共鳴用の電磁波をダイヤモンドに照射する照射部とを含み、照射部は、振幅変調された変調光を受信し、変調光の変調周波数は、マイクロ波の周波数帯に含まれる。
　本開示の別の局面に係るダイヤモンド光磁気センサシステムは、上記のダイヤモンド光磁気センサと、変調光を生成する光変調部と、変調光を伝送する伝送部とを含み、変調光は、伝送部を介して伝送され、照射部により受信される。
図１は、本開示の実施形態に係るダイヤモンド光磁気センサシステムを示すブロック図である。 図２は、ダイヤモンドに照射されるマイクロ波及び励起光の伝送経路を示すブロック図である。 図３は、図１に示したダイヤモンド光磁気センサシステムにおける光給電部の構成例を示すブロック図である。 図４は、逆バイアス電圧を生成するための構成の一例であって、図３とは異なる構成を示すブロック図である。 図５は、逆バイアス電圧を生成するための構成の一例であって、図３及び図４とは異なる構成を示すブロック図である。 図６は、図３に示した共鳴器の構成例を示すブロック図である。 図７は、第１変形例に係る光給電部を示すブロック図である。 図８は、第２変形例に係るダイヤモンド光磁気センサシステムにおいて、ダイヤモンドに照射されるマイクロ波及び励起光の伝送経路を示すブロック図である。 図９は、第３変形例に係るダイヤモンド光磁気センサシステムにおいて、ダイヤモンドに照射されるマイクロ波及び励起光の伝送経路を示すブロック図である。 図１０は、第４変形例に係るダイヤモンド光磁気センサシステムにおいて、ダイヤモンドに照射されるマイクロ波及び励起光の伝送経路を示すブロック図である。 図１１は、実験に用いた測定装置の構成を示す模式図である。 図１２は、実験に用いたダイヤモンドの形状を示す斜視図である。 図１３は、光給電によりマイクロ波を伝送した実験結果を示すグラフである。 図１４は、ダイヤモンドのＮＶセンタから放射される蛍光の強度の変化を示すグラフである。 図１５は、マイクロ波を同軸ケーブルにより伝送した実験結果を示すグラフである。
　［本開示が解決しようとする課題］
　高電圧の電力機器における計測にダイヤモンド光磁気センサを用いる場合、励起光、蛍光及びマイクロ波の伝送は、高電圧の絶縁破壊を避けるために、遠隔から絶縁離隔を確保して行うことが好ましい。
　励起光及び蛍光の伝送に関しては、光ファイバを用いれば、遠隔から絶縁離隔を確保して行うことができる。マイクロ波の伝送に関しては、同軸ケーブルによる伝送では絶縁離隔の確保が難しいが、送信アンテナと受信アンテナとを用いて電波として空間伝送すれば、遠隔から絶縁離隔を確保して行うことができる。
　マイクロ波を送信アンテナと受信アンテナとを用いて空間伝送する場合、ＮＶセンタを磁気共鳴させるマイクロ波の周波数は約３ＧＨｚであり、マイクロ波の波長が空間では約１０ｃｍになる。そのため、受信アンテナも１０ｃｍ程度のサイズが必要になる。アンテナは導電体で構成されるため、高電圧の電力機器における計測においては、絶縁破壊しないように、絶縁離隔の確保及び電界集中の回避に配慮することが必要である。しかし、受信アンテナが１０ｃｍと大きければ、絶縁離隔の確保及び電界集中の回避は難しい。また、電波法により、約３ＧＨｚの電波を空中に放射することは制限される。これらの制約のため、自由で柔軟な計測を行うことができない問題がある。
　したがって、本開示は、高電圧の電力機器における計測に容易に使用できるダイヤモンド光磁気センサ及びダイヤモンド光磁気センサシステム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、高電圧の電力機器における計測に容易に使用できるダイヤモンド光磁気センサ及びダイヤモンド光磁気センサシステムを提供できる。
　［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し、励起光が照射されるダイヤモンドと、磁気共鳴用の電磁波をダイヤモンドに照射する照射部とを含み、照射部は、振幅変調された変調光を受信し、変調光の変調周波数は、マイクロ波の周波数帯に含まれる。これにより、高電圧の電力機器における計測に容易に使用できるダイヤモンド光磁気センサを実現できる。ダイヤモンド光磁気センサと測定機器との間で伝送される励起光、マイクロ波及び蛍光の伝送経路を全て非金属の部材により構成できるので、高電圧の電力機器における測定において、絶縁破壊を回避するための絶縁離隔の確保が容易であり、測定の自由度及び柔軟度が向上する。
　（２）照射部は、変調光を電気信号に変換する光電変換部をさらに含むことができ、磁気共鳴用の電磁波は、光電変換部により生成された電気信号により形成され、ダイヤモンドに照射されることができる。これにより、アンテナ等を用いて電磁波（即ちマイクロ波）を空間伝送しないので、電波法の制限を受けない。したがって、測定環境はシールドルーム内に限定されず、任意の環境において測定可能である。
　（３）光電変換部は、変調光を電気信号に変換するフォトダイオードを含んでいてもよく、照射部は、フォトダイオードにより生成された電気信号から交流成分を取出す第１バイアスティーをさらに含んでいてもよく、磁気共鳴用の電磁波は、交流成分により形成されていてもよい。これにより、ダイヤモンド光磁気センサを、測定に使用する電磁波の波長（即ち約１０ｃｍ程度）よりもコンパクトにでき、球形等の角のないケースに収容できる。したがって、高電圧の電力機器における計測において、電界集中の回避が容易である。
　（４）光電変換部は、投光器の光、変調光及び励起光のうちの少なくとも１種類の光を含む光の一部を電位に変換する光電変換素子を含んでいてもよく、第１バイアスティーは、光電変換素子により生成された電位が印加されることにより、電気信号から交流成分を取出してもよい。これにより、ダイヤモンドと光源及びマイクロ波源との間の電気的絶縁を実現できる。また、ダイヤモンド光磁気センサの寿命が長くなる。
　（５）光電変換部は、投光器の光、変調光及び励起光のうちの少なくとも１種類の光を含む光の一部を電力に変換する光電変換素子と、フォトダイオード又は第１バイアスティーの出力信号を増幅する増幅器とを含んでいてもよく、出力信号は、光電変換素子により生成された電力が増幅器に印加されることにより増幅されてもよい。これにより、ダイヤモンドと光源及びマイクロ波源との間の電気的絶縁を実現でき、より高出力のマイクロ波をダイヤモンドに照射でき、より高感度の磁気検知が可能になる。また、ダイヤモンド光磁気センサの寿命が長くなる。
　（６）変調光の搬送波の波長は、励起光と異なる波長を有していてもよい。これにより、同じ光ファイバを用いて、変調光と励起光とを容易に伝送でき、部品点数を削減できる。
　（７）変調光の搬送波の波長は、近赤外光の波長帯に含まれていてもよい。これにより、変調光の生成及び伝送が容易になる。
　（８）励起光は、変調光の搬送波の波長と同じ波長を有していてもよく、変調光は、励起光が振幅変調されることにより生成されてもよい。これにより、励起光だけを生成すればよいので、部品点数を削減できる。
　（９）変調光は、レーザ光であってもよい。これにより、変調光の強度を大きくでき、変調光をより遠くまで伝送できる。
　（１０）変調光は、レーザダイオードの駆動電流が変調周波数で変化するように制御されることによりレーザダイオードから出力されてもよい。これにより、直接変調法により容易に変調光を生成でき、変調装置を小型化できる。
　（１１）変調光は、レーザ光が入力されるＬＮ素子が、変調周波数の変調信号により制御されることによりＬＮ素子から出力されてもよい。これにより、高速変調が可能になり、変調周波数が高い変調光を生成できる。
　（１２）レーザダイオードの駆動電流は、第２バイアスティーにより制御されてもよい。これにより、レーザダイオードを用いて容易に変調光を生成できる。
　（１３）励起光は、レーザ光であってもよい。これにより、レーザダイオード等を用いて容易に励起光を生成できる。
　（１４）変調光は、第１光ファイバを介して伝送され、照射部により受信されてもよい。これにより、変調光を確実に照射部に伝送できる。また、ダイヤモンド光磁気センサを、高電圧の電力機器において安全に使用できる。
　（１５）励起光は、第２光ファイバにより伝送され、ダイヤモンドに照射されてもよい。これにより、励起光を確実に照射部に伝送できる。また、ダイヤモンド光磁気センサを、高電圧の電力機器において安全に使用できる。
　（１６）励起光は、第１光ファイバを介して伝送され、ダイヤモンドに照射されてもよい。これにより、変調光と励起光とを１つの光ファイバにより伝送でき、部品点数を削減でき、製造が容易になる。
　（１７）照射部は、共鳴器を含んでいてもよく、ダイヤモンドは、共鳴器に配置されていてもよい。これにより、ダイヤモンドに電磁波（即ちマイクロ波）を効率よく照射できる。
　（１８）ダイヤモンドは、光電変換部から５ｍｍ以内の位置に配置されていてもよい。これにより、ダイヤモンドにパワーの大きい電磁波（即ちマイクロ波）を照射できる。
　（１９）照射部は、入力される変調光を、磁気共鳴用の電磁波としてダイヤモンドに照射してもよい。これにより、変調光を電気信号に変換する光電変換装置が不要になり、部品点数を削減でき、製造が容易になる。
　（２０）ダイヤモンド光磁気センサは、導電部材により、滑らかな形状に形成された収容部をさらに含んでいてもよく、ダイヤモンド及び照射部は、収容部に収容されていてもよい。これにより、ダイヤモンド光磁気センサを、高電圧の電力機器において安全に使用できる。
　（２１）本開示の第２の局面に係るダイヤモンド光磁気センサシステムは、上記のダイヤモンド光磁気センサと、変調光を生成する光変調部と、変調光を伝送する伝送部とを含み、変調光は、伝送部を介して伝送され、照射部により受信される。これにより、ダイヤモンド光磁気センサと測定機器との間で伝送される励起光、マイクロ波及び蛍光の伝送経路を全て非金属の部材により構成できるので、高電圧の電力機器における測定において、絶縁破壊を回避するための絶縁離隔の確保が容易であり、測定の自由度及び柔軟度が向上する。また、アンテナ等を用いて電磁波（即ちマイクロ波）を空間伝送しないので、電波法の制限を受けない。したがって、測定環境はシールドルーム内に限定されず、任意の環境において測定可能である。また、アンテナ等を用いてマイクロ波を空間伝送しないので、電波法の制限を受けない。したがって、測定環境はシールドルーム内に限定されず、任意の環境において測定可能である。
　［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１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システム１００は、ダイヤモンド１０４、光電変換部１０６、伝送部１０８、変調信号生成部１１０、光変調部１１２、光ファイバ１１４、励起光生成部１２０、分波器１２２、集光部１２４、光ファイバ１２６及び制御部１３０を含む。ダイヤモンド１０４はＮＶセンタを含む。ダイヤモンド１０４へのマイクロ波の供給は、光給電により行われる。ダイヤモンド１０４、光電変換部１０６及び伝送部１０８は、ダイヤモンド光磁気センサを構成する。高電圧の電力機器等においてダイヤモンド光磁気センサシステム１００により測定が行われる場合、ダイヤモンド１０４、光電変換部１０６及び伝送部１０８は、電界集中を回避するために、金属等の導電性のケース１０２に収容されることが好ましい。制御部１３０は、後述するように、変調信号生成部１１０及び励起光生成部１２０を制御し、マイクロ波及び励起光をダイヤモンド１０４に照射し、ダイヤモンド１０４から放射される蛍光を検出部１２８により検出し、測定データとして取得する。制御部１３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、マイクロコンピュータ等により実現される。
　変調信号生成部１１０は、制御部１３０の制御を受けて、所定周波数（即ちマイクロ波周波数帯）の信号を生成して、光変調部１１２に入力する。光変調部１１２は、所定周波数の光を、変調信号生成部１１０から供給される信号を用いて振幅変調し、変調光を生成して出力する。即ち、変調信号生成部１１０が出力する信号は、変調光を生成するために使用される変調信号である。変調信号生成部１１０が出力する信号の周波数は、変調周波数である。変調される所定周波数の光は、搬送波である。光変調部１１２により生成された変調光は、光ファイバ１１４により光電変換部１０６まで伝送される。
　光電変換部１０６は、光ファイバ１１４を介して伝送された変調光を電気信号に変換（即ち光電変換）し、伝送部１０８に入力する。これにより、変調光から、その搬送波の周波数（即ちマイクロ波周波数帯）を有する電気信号が生成され、伝送部１０８に供給される。伝送部１０８は、入力される電気信号、即ち電流を増大し、ダイヤモンド１０４まで伝送する。伝送部１０８を伝送される電気信号により形成される電磁波は、ダイヤモンド１０４に照射され、ＮＶセンタの磁気共鳴に利用される。即ち、光電変換部１０６及び伝送部１０８は、照射部１１６を構成し、変調信号生成部１１０、光変調部１１２、光ファイバ１１４及び照射部１１６は、ダイヤモンド１０４にマイクロ波を照射するための光給電部１１８を構成する。
　励起光生成部１２０は、制御部１３０の制御を受けて、ＮＶセンタの励起光（即ち緑色光）を生成して出力する。励起光生成部１２０により生成された励起光は、分波器１２２により反射され、集光部１２４により集光されて光ファイバ１２６に入射する。分波器１２２は、入射する光の波長に応じて、入射する光を反射又は透過させる。分波器１２２は、例えばダイクロイックミラーであり、ここでは緑色の励起光を反射し、赤色の蛍光を透過させる。光ファイバ１２６は、入力される励起光をダイヤモンド１０４まで伝送する。これにより、励起光がダイヤモンド１０４に照射され、ダイヤモンド１０４のＮＶセンタから蛍光（即ち赤色光）が放射される。ダイヤモンド１０４から放射される蛍光は、光ファイバ１２６に入射し、光ファイバ１２６により伝送され、光ファイバ１２６の出力端から放射される。光ファイバ１２６の出力端から放射された蛍光は、集光部１２４により平行光になり、分波器１２２を通過して、検出部１２８に入射する。検出部１２８は、入射する蛍光の強度を検出する。制御部１３０は、検出部１２８により検出された信号を測定データとして取得する。これにより、ダイヤモンド光磁気センサシステム１００による磁場等の測定ができる。
　上記したように、ダイヤモンド光磁気センサシステム１００においてダイヤモンド１０４に照射するマイクロ波は、光給電により行われる。即ち、図２を参照して、ダイヤモンド１０４に照射するマイクロ波は、光（即ち変調光）として光ファイバ１１４によりダイヤモンド１０４の近くまで伝送された後、電気信号に変換されることにより電磁波（即ちマイクロ波）となる。一方、ＮＶセンタの励起光は、励起光生成部１２０から出力され、光ファイバ１２６によりダイヤモンド１０４まで伝送される。ＮＶセンタから放射される蛍光は、光ファイバ１２６により検出部１２８まで伝送される。このように光給電により、ダイヤモンド光磁気センサと測定機器との間で伝送される励起光、マイクロ波及び蛍光の伝送経路を全て非金属の部材（例えば光ファイバ）により構成できる。したがって、高電圧の電力機器における測定において、絶縁破壊を回避するための絶縁離隔の確保が容易であり、測定の自由度及び柔軟度が向上する。
　ダイヤモンド光磁気センサシステム１００の光給電部１１８に関して、より具体的に示す。図３を参照して、変調信号生成部１１０（図１参照）は、ＶＣＯ１４０、減衰器１４２、増幅器１４４、サーキュレータ１４６及び終端器１４８を含む。光変調部１１２（図１参照）は、バイアスティー１５０、電流源１５２及びＬＤ（レーザダイオード）１５４を含む。光ファイバ１１４（図１参照）は、光ファイバ１５６を含む。光電変換部１０６（図１参照）は、ＰＤ（フォトダイオード）１５８、バイアスティー１６０及び電圧源１６２を含む。なお、光電変換部１０６により光電変換された信号を増幅する必要がある場合には、電力増幅器がＰＤ１５８とバイアスティー１６０との間、又は、バイアスティー１６０の後段に含まれても構わない。伝送部１０８（図１参照）は、サーキュレータ１６４、終端器１６６及び共鳴器１６８を含む。
　ＶＣＯ１４０は、周波数が一定の電気信号を生成して出力する。一定周波数は、マイクロ波周波数帯に含まれる。ＶＣＯ１４０の出力信号は、減衰器１４２及び増幅器１４４により、周波数を変化させずに所定レベルの信号に整形される。サーキュレータ１４６は、増幅器１４４から供給される信号をバイアスティー１５０に供給する。サーキュレータ１４６からバイアスティー１５０に供給した信号の一部は、反射されてサーキュレータ１４６に入力され得る。これにより増幅器１４４の出力信号が影響を受けることを回避するために、サーキュレータ１４６は、バイアスティー１５０から戻る信号を、破線の矢印で示すように終端器１４８に逃がし、終端器１４８により消費させる。終端器１４８は、例えば５０Ω終端器である。
　バイアスティー１５０は、サーキュレータ１４６から供給される一定周波数の信号に、電流源１５２から供給される定電流を加えて出力する。電流源１５２は、ＬＤ１５４の駆動電流（即ちバイアス電流）を供給するための定電流源として機能する。ＬＤ１５４は、バイアスティー１５０からの出力信号により駆動され、レーザ光を出力する。バイアスティー１５０からの出力信号は、一定レベルの電流に、サーキュレータ１４６から供給される一定周波数（即ちマイクロ波周波数）が重畳しているので、ＬＤ１５４から出力されるレーザ光は、振幅変調された光（即ち変調光）になる。即ち、ＬＤ１５４は、直接変調方式により制御され、変調光を出力する。サーキュレータ１４６から供給される一定周波数（即ちマイクロ波周波数）は、バイアスティー１５０から出力される変調光の変調信号として機能する。
　ＬＤ１５４から出力される変調光は、光ファイバ１５６によりＰＤ１５８まで伝送される。ＰＤ１５８は、光ファイバ１５６から入力される変調光に対して、光電変換を行う。ＰＤ１５８が光電変換を行うには、ＰＤ１５８に逆バイアス電圧が印加される必要がある。逆バイアス電圧は、電圧源１６２から供給され、バイアスティー１６０を介してＰＤ１５８に印加される。電圧源１６２は、定電圧を出力する電源であり、例えば電池（例えば乾電池）である。好ましくは、電池の代わりに、光を電位に変換する光電変換素子を用いる。光電変換素子に照射する光は自然光でも構わないが、後述するように、投光器を設け、光を発生させてもよい。より好ましくは、後述するように、光電変換素子に、ダイヤモンドに照射される変調光若しくは励起光の一部の光、又は、ダイヤモンドから放射される蛍光の漏れ光を照射することが効率的である。このように、電池の利用、又は光によって電位を発生させる機構によって、ダイヤモンドと光源及びマイクロ波源との間の電気的絶縁を実現する。電池を利用する構成よりも光源を用いる構成の方が、機構は複雑になるが、ダイヤモンド光磁気センサシステム１００の寿命は長くなる。
　ＰＤ１５８は、光ファイバ１５６から入力される変調光を電気信号に変換して、バイアスティー１６０に出力する。ＰＤ１５８から出力される電気信号は、変調光の変調周波数（即ちマイクロ波周波数）と同じ周波数を有する交流成分が直流成分に重畳された信号である。上記したように、ＰＤ１５８から出力する電気信号を、電力増幅器により増幅してバイアスティー１６０に入力してもよいし、バイアスティー１６０から出力される電気信号を電力増幅してもよい。電力増幅器に利用する電力は、例えば、電池により供給される。好ましくは、電池の代わりに、光を電力に変換する光電変換素子を用いる。光電変換素子に照射する光は自然光でも構わないが、投光器を設け、光を発生させてもよい。より好ましくは、光電変換素子に、ダイヤモンドに照射される変調光若しくは励起光の一部の光、又は、ダイヤモンドから放射される蛍光の漏れ光を照射することが効率的である。このように、電池の利用、又は光によって電力を発生させる機構によって、ダイヤモンドと光源及びマイクロ波源との間の電気的絶縁を実現し、より高出力のマイクロ波をダイヤモンドに照射でき、より高感度の磁気検知が可能になる。電池を利用する構成よりも光源を用いる構成の方が、機構は複雑になるが、ダイヤモンド光磁気センサシステム１００の寿命は長くなる。
　バイアスティー１６０は、ＰＤ１５８から入力される信号に、電圧源１６２から供給される定電圧（即ちＰＤ１５８の逆バイアス電圧）を加算して出力する。即ち、バイアスティー１６０は、ＰＤ１５８から入力される信号から直流成分をカットし、交流成分を出力する。
　ＰＤ１５８の逆バイアス電圧を供給するための電圧源１６２は、上記した乾電池に限定されない。逆バイアス電圧は、光電変換素子を用いて生成されてもよい。例えば、図４に示すように、図３において、電圧源１６２に代えて、太陽電池３００と投光器３０２とを用いてもよい。また、図５に示すように、電圧源１６２に代えて、フォトダイオード３０４を用いてもよい。図４及び図５はいずれも、図３に示した構成から、バイアスティー１６０を含む部分を抜き出して示したものである。
　図４を参照して、太陽電池３００は、投光器３０２から出力される光が照射され、直流電圧を生成する。投光器３０２から出力される光を破線により示している。生成された直流電圧は、バイアスティー１６０に、ＰＤ１５８の逆バイアス電圧として供給される。これにより、バイアスティー１６０にＰＤ１５８から入力される信号から直流成分がカットされ、交流成分のみが出力される。なお、太陽電池３００に照射される光は、投光器３０２から出力される光に限定されない。自然光を太陽電池３００に照射してもよい。また、後述するように、変調光若しくは励起光の一部の光、又は、ダイヤモンドから放射される蛍光の漏れ光を、太陽電池３００に照射してもよい。
　また、図５を参照して、フォトダイオード３０４は、ダイヤモンド１０４（図３参照）に照射される励起光の一部である漏れ励起光３０６が照射され、直流電圧を生成する。生成された直流電圧は、バイアスティー１６０に、ＰＤ１５８の逆バイアス電圧として供給される。これにより、バイアスティー１６０にＰＤ１５８から入力される信号から直流成分がカットされ、交流成分のみが出力される。なお、フォトダイオード３０４に照射される光は、漏れ励起光３０６に限定されない。自然光をフォトダイオード３０４に照射してもよい。また、ＰＤ１５８に光ファイバ１５６（図３参照）から入力される変調光の一部の光を、フォトダイオード３０４に照射してもよい。この場合、フォトダイオードの出力電位を一定とするためにツェナーダイオード等を使用する一般的な電子回路の工夫等が必要である。また、ダイヤモンドからの蛍光の漏れ光の一部の光を、フォトダイオード３０４に照射してもよい。
　バイアスティー１６０から出力される交流信号（即ちマイクロ波）は、サーキュレータ１６４に入力される。サーキュレータ１６４は、バイアスティー１６０から供給される信号を共鳴器１６８に出力する。サーキュレータ１６４から共鳴器１６８に供給された信号の一部は、反射されてサーキュレータ１６４に入力され得る。これによりバイアスティー１６０の出力信号が影響を受けることを回避するために、サーキュレータ１６４は、共鳴器１６８から戻る信号を、破線の矢印で示すように終端器１６６に逃がし、終端器１６６により消費させる。終端器１６６は、例えば５０Ω終端器である。
　共鳴器１６８は、供給されるマイクロ波を増大してダイヤモンド１０４に照射する。共鳴器１６８は、例えば、図６を参照して、インピーダンス変換器１７０及び共振器１７２を含む。ダイヤモンド１０４は、共振器１７２の近傍（共振器１７２の内部を含む）に配置される。インピーダンス変換器１７０は、例えばλ／４変成器であり、共振器１７２は、例えばλ／４スタブである。共振器１７２は、例えば、マイクロ波の電気長の１／４の長さの、平行に配置された２本の銅線により形成され、インピーダンス変換器１７０に接続される端部の反対側の端部が解放されたスタブ（即ちλ／４オープンスタブ）である。共振器１７２は、例えば、マイクロ波の電気長の１／４の長さの２枚の、平行に対向して配置された銅箔により形成され、インピーダンス変換器１７０に接続される端部の反対側の端部が接続（即ちショート）されたスタブ（即ちλ／４ショートスタブ）であってもよい。インピーダンス変換器１７０により、サーキュレータ１６４のインピーダンスを共振器１７２から見て低く又は高くできる。共振器１７２は直列共振回路又は並列共振回路として機能し、供給されるマイクロ波を増大させる。これにより、ダイヤモンド１０４のＮＶセンタに磁気共鳴を起こさせるマイクロ波がダイヤモンド１０４に照射される。共鳴器１６８は、マイクロストリップラインの共鳴器、又は、コプレーナ導波路の共鳴器であってもよい。
　以上により、ダイヤモンド光磁気センサ（即ち、ダイヤモンド１０４、光電変換部１０６及び伝送部１０８）と測定機器（即ち、検出部１２８及び制御部１３０等）との間で伝送される励起光、マイクロ波及び蛍光の伝送経路を、全て非金属の部材である光ファイバ１１４及び１２６（図１参照）により構成できる。したがって、高電圧の電力機器における測定において、絶縁破壊を回避するための絶縁離隔の確保が容易であり、測定の自由度及び柔軟度が向上する。
　アンテナ等を用いて電磁波（即ちマイクロ波）を空間伝送しないので、電波法の制限を受けない。したがって、測定環境はシールドルーム内に限定されず、任意の環境において測定可能である。また、ダイヤモンド光磁気センサ（即ち、ダイヤモンド１０４、光電変換部１０６及び伝送部１０８）は、測定に使用する電磁波の波長（例えば約１０ｃｍ程度）よりもコンパクトにでき、球形等の角のないケースに収容できる。したがって、高電圧の電力機器における計測において、電界集中の回避が容易である。
　上記では、ダイヤモンド光磁気センサがＮＶセンタを含み、マイクロ波が光給電により伝送される場合を説明したが、これに限定されない。光の強度が電磁波の領域の周波数に変調されている光（即ち変調光）を利用するセンサであればよい。好ましくは、電磁波を光給電により伝送する。より好ましくは、マイクロ波の周波数帯域の電磁波を、光給電により伝送する。さらに好ましくは、周波数１ＧＨｚ～５ＧＨｚの電磁波を、光給電により伝送する。
　上記したように、ＰＤ１５８により、変調光からマイクロ波を生成することが好ましいが、これに限定されない。放電変換する機器、又は素子を利用するセンサであればよい。
　変調光の搬送波の波長は、近赤外光の波長帯に含まれることが好ましい。これにより、変調光の生成及び伝送が容易になる。
　上記したように、変調光は、ＬＤ１５４から出力されるレーザ光である。これにより、変調光の強度を大きくでき、変調光をより遠くまで伝送できる。
　上記したように、変調光は、電流源１５２により供給されるＬＤ１５４の駆動電流が、変調周波数で変化するように制御されることによりＬＤ１５４から出力される光である。これにより、直接変調法により容易に変調光を生成でき、変調装置を小型化できる。
　上記したように、電流源１５２により供給されるＬＤ１５４の駆動電流は、バイアスティー１５０により制御される。これにより、ＬＤ１５４を用いて容易に変調光を生成できる。
　上記したように、励起光は、レーザ光である。これにより、励起光生成部１２０を用いて容易に励起光を生成できる。
　上記したように、変調光は、光ファイバ１１４を介して伝送され、照射部１１６により受信される。これにより、変調光を確実に照射部１１６に伝送できる。また、ダイヤモンド光磁気センサを、高電圧の電力機器において安全に使用できる。
　上記したように、励起光は、光ファイバ１２６により伝送され、ダイヤモンド１０４に照射される。これにより、励起光を確実に伝送できる。また、ダイヤモンド光磁気センサを、高電圧の電力機器において安全に使用できる。
　上記したように、伝送部１０８は共鳴器１６８を含み、ダイヤモンド１０４は共鳴器１６８に配置されることが好ましい。これにより、ダイヤモンドに電磁波（即ちマイクロ波）を効率よく照射できる。
　好ましくは、ダイヤモンド１０４は、ＰＤ１５８から１０ｍｍ以内の位置に配置される。より好ましくは、ダイヤモンド１０４は、ＰＤ１５８から５ｍｍ以内の位置に配置される。さらに好ましくは、ダイヤモンド１０４は、ＰＤ１５８から３ｍｍ以内の位置に配置される。これにより、ダイヤモンド１０４により強力な電磁波（即ちマイクロ波）を照射できる。
　上記したように、ダイヤモンド１０４、光電変換部１０６及び伝送部１０８は、電界集中を回避するために導電性のケース１０２に収容されることが好ましい。ケース１０２は、光電変換部１０６に変調光を伝送するための光ファイバ１１４と、ダイヤモンド１０４まで励起光を伝送するための光ファイバ１２６とを通すための開口部を含み、略密閉されていることが好ましい。ケース１０２の外形は、角がなく滑らかに形成されていればよく、球又は楕円体等の形状であることが好ましい。これにより、高電圧の電力機器等において、ダイヤモンド光磁気センサを安全に使用できる。
（第１変形例）
　上記では、直接変調法により変調光を生成したが、外部変調法により変調光を生成してもよい。図１に示した光給電部１１８は、図７のように構成されてもよい。第１変形例に係る光給電部は、外部変調法により変調光を生成する。
　図７に示した構成が、図３と異なる点は、光変調部１１２の構成が異なるだけである。図７のその他の構成は、図３と同じである。したがって、以下においては、重複説明を繰返さず、異なる点を主として説明する。図７を参照して、上記したように、ＶＣＯ１４０から出力された周波数が一定の電気信号は、減衰器１４２及び増幅器１４４を介してサーキュレータ１４６に伝達され、サーキュレータ１４６からＬＮ素子１８０に供給される。サーキュレータ１４６からＬＮ素子１８０に供給される信号は、後述するように、変調光を生成するために使用される変調信号である。
　電流源１５２は、定電流源であり、ＬＤ１５４を駆動するための駆動電流（即ちバイアス電流）を、ＬＤ１５４に供給する。ＬＤ１５４は、バイアスティー１５０からの出力信号により駆動され、周波数及び振幅が一定のレーザ光を出力する。バイアスティー１５０から出力されるレーザ光は、光ファイバ１８２を介してＬＤ１５４に入力される。ＬＮ素子１８０は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）により形成された光変調器である。ＬＮ素子１８０は、入力されるレーザ光を、サーキュレータ１４６からの信号を変調信号として用いて振幅変調し、変調光を出力する。即ち、ＬＮ素子１８０は、外部変調法により、変調光を生成する。ＬＮ素子１８０から出力される変調光は、上記したように、光ファイバ１５６によりＰＤ１５８に伝送され、ＰＤ１５８により光電変換されてマイクロ波となり、共鳴器１６８を介してダイヤモンド１０４に照射される。
　図７に示した光給電部を採用することにより、ダイヤモンド光磁気センサ（即ち、ダイヤモンド１０４、光電変換部１０６及び伝送部１０８）と測定機器（即ち、検出部１２８及び制御部１３０等）との間で伝送される励起光、マイクロ波及び蛍光の伝送経路を、全て非金属の部材である光ファイバ１１４及び１２６（図１参照）により構成できる。したがって、高電圧の電力機器における測定において、絶縁破壊を回避するための絶縁離隔の確保が容易であり、測定の自由度及び柔軟度が向上する。アンテナ等を用いて電磁波（即ちマイクロ波）を空間伝送しないので、電波法の制限を受けない。したがって、測定環境はシールドルーム内に限定されず、任意の環境において測定可能である。また、ダイヤモンド光磁気センサ（即ち、ダイヤモンド１０４、光電変換部１０６及び伝送部１０８）は、測定に使用する電磁波の波長（例えば約１０ｃｍ程度）よりもコンパクトにでき、球形等の角のないケースに収容できる。したがって、高電圧の電力機器における計測において、電界集中の回避が容易である。
　ＬＮ素子１８０を用いて、外部変調法により変調光を生成することにより、高速変調でき、変調周波数の高い（例えば数十ＧＨｚ）変調光を生成できる。
（第２変形例）
　上記では、図２に示したように、光給電のための変調光と励起光とを異なる光ファイバ（即ち光ファイバ１１４及び１２６）により、ダイヤモンド１０４の近くまで伝送す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システムにおいては、光給電のための変調光と励起光とを同じ光ファイバにより伝送する。
　図８を参照して、光変調部１１２（図１参照）から出力される変調光と、励起光生成部１２０から出力される励起光とを共に光ファイバ１９０により伝送する。変調光の搬送波周波数は、励起光の周波数と異なっている。光ファイバ１９０の出力端から出力される変調光は、光電変換部１０６に入力され、上記したように光電変換されてマイクロ波が生成される。生成されたマイクロ波はダイヤモンド１０４に照射される。一方、光ファイバ１９０の出力端から出力される励起光は、そのままダイヤモンド１０４に照射される。なお、ダイヤモンド１０４から放射される蛍光は、別の光ファイバにより検出部１２８まで伝送されても、分波器１９２により検出部１２８まで伝送されてもよい。このように、変調光の搬送波の波長として、励起光と異なる波長を有することにより、同じ光ファイバを用いて、変調光と励起光とを容易に伝送でき、部品点数を削減できる。
　なお、変調光及び励起光を光ファイバ１９０に入力するには、光ファイバ１９０の入力端において変調光及び励起光の光路が重なるように、光学素子を配置すればよい。例えば、変調光の搬送波及び励起光の周波数が異なれば（即ち波長が異なれば）、ダイクロイックミラーを用いることができる。例えば、変調光がダイクロイックミラーを透過して光ファイバ１９０に入射し、励起光がダイクロイックミラーで反射されて光ファイバ１９０に入射するようにできる。
（第３変形例）
　上記では、図８に示したように、周波数が異なる（即ち波長が異なる）変調光と励起光とを同じ光ファイバ１９０により、ダイヤモンド１０４の近くまで伝送す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システムにおいては、同じ周波数（即ち同じ波長）の変調光と励起光とを同じ光ファイバにより伝送する。
　図９を参照して、変調励起光を光ファイバ１９０により伝送する。変調励起光は、ＮＶセンタの励起光が、マイクロ波周波数の信号を変調信号として振幅変調されて生成される。変調励起光の搬送波の周波数は、励起光の周波数と同じである。光ファイバ１９０の出力端から出力される変調光励起光は、分配器１９４により２つの光路に分離される。第１の光路の光は光電変換部１０６に入力され、上記したように光電変換されてマイクロ波が生成される。生成されたマイクロ波はダイヤモンド１０４に照射される。一方、第２の光路の光は、励起光としてそのままダイヤモンド１０４に照射される。
　光ファイバ１９０に入射する変調励起光は、励起光生成部１２０（図１参照）から出力される励起光を、図７に示したように、ＬＮ素子１８０を用いて外部変調することにより生成できる。励起光を変調することにより、変調光を生成するためのＬＤ（図３及び図７に示したＬＤ１５４）を設ける必要がなく、部品点数を削減でき、製造が容易になる。
（第４変形例）
　上記では、変調光を光電変換部１０６により光電変換してマイクロ波を生成す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システムにおいては、変調光を直接ダイヤモンド１０４に照射する。
　図１０を参照して、図９と同様に、変調励起光を光ファイバ１９０により伝送する。変調励起光は、ＮＶセンタの励起光が、マイクロ波周波数の信号を変調信号として振幅変調されて生成される。光ファイバ１９０の出力端から出力される変調光励起光は、直接ダイヤモンド１０４に照射される。即ち、変調励起光は、ＮＶセンタの励起光及び磁気共鳴用のマイクロ波として利用される。これにより、光電変換のための光電変換部１０６が不要になり、部品点数を削減でき、製造が容易になる。
　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。
　上記では、変調光を光ファイバにより、ダイヤモンドの近くまで伝送する場合を説明したが、これに限定されない。光ファイバの代わりに、レンズ及びミラーを用いて、変調光辺を空間伝送してもよい。
　以下に、実施例を示し、本開示の有効性を示す。図１１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にマイクロ波及び励起光を照射し、ＮＶセンタから放射される蛍光強度を測定した。図１１を参照して、測定装置のうちダイヤモンド光磁気センサ２１６は、図３に示したダイヤモンド１０４、光電変換部１０６及び伝送部１０８により構成した。但し、図１１において、図３のダイヤモンド１０４はダイヤモンド２１０により代替されている。ダイヤモンド２１０にマイクロ波を照射するためのマイクロ波供給源２２０（即ちマイクロ波系）には、図３に示した変調信号生成部１１０、光変調部１１２及び光ファイバ１５６を用い、変調光をダイヤモンド光磁気センサ２１６まで伝送した。ダイヤモンド光磁気センサ２１６に含まれるダイヤモンド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。
　図３を参照して、ＶＣＯ１４０から３ｄＢｍの所定周波数の電気信号を出力した。所定周波数は、２．７ＧＨｚ～２．９４ＧＨｚの範囲で変化させた。減衰器１４２により、ＶＣＯ１４０の出力信号を－２０ｄＢ減衰し、増幅器１４４により＋４０ｄＢ増幅してサーキュレータ１４６に入力した。ＬＤ１５４には、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製のＬＰＳＣ－１５５０－ＦＣを用い、電流源１５２から１３０ｍＡのバイアス電流を出力してバイアスティー１５０を介してＬＤ１５４に供給し、直接変調法により変調光を生成した。光ファイバ１５６により、１５ｍＷの直流成分と１０ｍＷｒｍｓ（実効値）の交流成分とを含む変調光を、ダイヤモンド光磁気センサ２１６まで伝送した。ダイヤモンド光磁気センサ２１６を構成するＰＤ１５８には、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製のＦＧＡ０１ＦＣを用いた。電圧源１６２には乾電池を用い、電圧源１６２から９Ｖの逆バイアス電圧を出力してバイアスティー１６０を介して、ＰＤ１５８に供給し光電変換によりマイクロ波の電気信号を生成した。生成されたマイクロ波は、特性インピーダンス５０Ωのサーキュレータ１６４を介して共鳴器１６８に伝送された。共鳴器１６８には、λ／４変成器及びλ／４オープンスタブの共鳴器を用いた。
　また、比較例として、マイクロ波供給源２２０の代わりに、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を、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブルを用いて伝送し、上記したコプレーナ導波路の共鳴器を介して、ダイヤモンド２１０に照射した。同軸ケーブルで伝送するマイクロ波の周波数も、２．７４ＧＨｚ～２．９４ＧＨｚの範囲で変化させた。
　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。
　ダイヤモンド２１０として、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、図１２に示すように、斜辺１ｍｍのコーナーキューブにカットしてダイヤモンド２１０を作製した。図１２に示したダイヤモンドは、点Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤを頂点とし、角度α、β及びγは全て直角の三角錐である。三角形ＡＢＣの平面に垂直に、上記した光ファイバ２０８から励起光（即ち緑色光）を入射する。ダイヤモンド内部に入射した励起光は、ダイヤモンドの屈折率が約２．５であることから反射面として機能する３つの平面（即ち、三角形ＡＢＤ、ＢＣＤ及びＡＣＤ）により内部反射され、反射されない場合よりも長い光路を通り、ＮＶセンタに照射する。ＮＶセンタから放射される蛍光（即ち赤色光）は、反射面として機能する上記の３つの平面により内部反射され、励起光が入射された三角形ＡＢＣの平面から出力し、上記した光ファイバ２０８に入射する。
　上記したように、マイクロ波供給源２２０を用いて光給電したマイクロ波をダイヤモンド２１０に照射して、ダイヤモンド２１０から放射される蛍光を測定した結果を、図１３に示す。図１３において、横軸は、ダイヤモンド２１０に照射したマイクロ波の周波数（即ち、ＶＣＯ１４０の周波数）を表し、縦軸は光検出器２１４により測定された蛍光強度を表す。マイクロ波のパワーを一定にして、マイクロ波の周波数を変化させることにより、ダイヤモンドのＮＶセンタから放射される赤色の蛍光の強度（即ち赤色光輝度）の谷が観測できた。これから、赤色光輝度の低下率であるスピン検出コントラスト比（即ち、図１４に示すグラフの谷の大きさＳを蛍光強度Ｓ０で除した値）が算出できる。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１が知られており、スピン検出コントラスト比は、感度δＢに影響する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式１中、γは磁気回転比（即ち定数）であり、電子の磁気回転比（即ち１．７６×１０１１ｒａｄ／ｓ／Ｔ）に近い値である。ηは蛍光の検出効率、Ｃはスピン検出コントラスト比である。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１）から、スピン検出コントラスト比が高いほど、感度δＢは小さくなり、感度が高くなる。
　図１３の測定結果から、蛍光強度１μＡ、スピン検出コントラスト比約１．３％が得られたことが分かる。マイクロ波供給源２２０にはサーキュレータ１４６及び１６４が含まれているため、図１３に示した測定結果では、蛍光強度のベースラインの変動は±０．１％程度に抑制されている。
　比較例として、同軸ケーブルによりマイクロ波を伝送してダイヤモンド２１０に照射し、ダイヤモンド２１０から放射される蛍光を測定した結果を、図１５に示す。図１５において、横軸は、ダイヤモンド２１０に照射したマイクロ波の周波数を表し、縦軸は光検出器２１４により測定された蛍光強度を表す。マイクロ波のパワーを一定にして、マイクロ波の周波数を変化させることにより、ダイヤモンドのＮＶセンタから放射される赤色の蛍光の強度（即ち赤色光輝度）の谷が観測でき、蛍光強度１μＡ、スピン検出コントラスト比約２％が得られた。同軸ケーブルによりマイクロ波を伝送したので、サーキュレータが含まれていないため、図１５に示した測定結果では、蛍光強度のベースラインの変動は±１％程度変動している。
　図１３及び図１５に示した測定結果を比較すると、マイクロ波を光給電により伝送することにより、同軸ケーブルでマイクロ波を伝送した場合と同じ蛍光強度を観測でき、スピン検出コントラスト比に関しても、同程度の値を実現できた。このことから、ダイヤモンドのＮＶセンタを用いた磁気検出においてマイクロ波の光給電が有効であり、それに対応した構成のタイヤモンド光磁気センサの有効性が分かる。
　実施例１と同様に、図１１に示した構成の測定装置を採用し、実施例１と異なるマイクロ波供給源２２０を用いて、ＮＶセンタを有するダイヤモンド２１０にマイクロ波及び励起光を照射し、ＮＶセンタから放射される蛍光強度を測定した。具体的には、マイクロ波供給源２２０は、図７に示したようにＬＮ素子を使って、外部の電気的な変調信号を入力し、変調光を形成する外部変調方式の構成とした。他の部分は実施例１と同じ実験構成とした。このような構成により、ＬＮ素子を使って変調光を生成できた。変調光は、光ファイバを経由した後にＰＤとバイアスティーにより、マイクロ波に変換してダイヤモンドに照射できた。マイクロ波の周波数を変化させることによって、図１３と同様の、蛍光強度が共鳴周波数において低下するスペクトルを得ることができた。スペクトルのディップの周波数位置は磁場の強さに依存してシフトし、磁場を検知できることを確認できた。
　実施例１と同様に、図１１に示した構成の測定装置を採用し、マイクロ波供給源２２０中の光ファイバによる光伝送の構成部分を変更して、ＮＶセンタを有するダイヤモンド２１０にマイクロ波及び励起光を照射し、ＮＶセンタから放射される蛍光強度を測定した。具体的には、図８に示したように、変調光と励起光とを合波して、同一の光ファイバに入射して伝送した。出射側において再び分配器により分波し、分波された変調光から、光電変換部においてＰＤ及びバイアスティーにより、マイクロ波を生成し、ダイヤモンドに照射できた。変調光の周波数を制御して、マイクロ波の周波数を変化させ、図１３と同様の、蛍光強度が共鳴周波数において低下するスペクトルを得ることができた。スペクトルのディップの周波数位置は磁場の強さに依存してシフトし、磁場を検知できることを確認できた。
　実施例１と同様に、図１１に示した構成の測定装置を採用し、マイクロ波供給源２２０の構成を変更して、ＮＶセンタを有するダイヤモンド２１０にマイクロ波及び励起光を照射し、ＮＶセンタから放射される蛍光強度を測定した。具体的には、光電変換部（図３の光電変換部１０６に対応）においてＰＤ（図３のＰＤ１５８に対応）の後段に電力増幅器（アンプ）を設置し、変調光を電気信号に変換し電力を増幅した。その後、バイアスティー（図３のバイアスティー１６０に対応）により高周波成分と直流成分とを分離した。高周波成分はダイヤモンド２１０に照射した。電力増幅器の電力には、バイアスティーにより分離した直流成分を用いた。変調光の周波数を変化させてマイクロ波の周波数を変化させることによって、図１３と同様の、蛍光強度が共鳴周波数において低下するスペクトルを得ることができた。スペクトルのディップの周波数位置は磁場の強さに依存してシフトし、磁場を検知できることを確認できた。
　実施例１と同様に、図１１に示した構成の測定装置を採用し、電圧源１６２には、乾電池（９Ｖ）に代えて、定格５Ｖ出力２Ｗの太陽電池を用い（図４参照）、ＮＶセンタを有するダイヤモンド２１０にマイクロ波及び励起光を照射し、ＮＶセンタから放射される蛍光強度を測定した。投光器を用いて太陽電池に光を照射した。変調光の周波数を変化させてマイクロ波の周波数を変化させることによって、図１３と同様の、蛍光強度が共鳴周波数において低下するスペクトルを得ることができた。スペクトルのディップの周波数位置は磁場の強さに依存してシフトし、磁場を検知できることを確認できた。
　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　　ダイヤモンド光磁気センサシステム
１０２　　ケース
１０４、２１０　　ダイヤモンド
１０６　　光電変換部
１０８　　伝送部
１１０　　変調信号生成部
１１２　　光変調部
１１４、１２６、１５６、１８２、１９０、２０８　　光ファイバ
１１６　　照射部
１１８　　光給電部
１２０　　励起光生成部
１２２、１９２　　分波器
１２４　　集光部
１２８　　検出部
１３０　　制御部
１４０　　ＶＣＯ
１４２　　減衰器
１４４　　増幅器
１４６、１６４　　サーキュレータ
１４８、１６６　　終端器
１５０、１６０　　バイアスティー
１５２　　電流源
１５４　　ＬＤ
１５８　　ＰＤ
１６２　　電圧源
１６８　　共鳴器
１７０　　インピーダンス変換器
１７２　　共振器
１８０　　ＬＮ素子
１９４　　分配器
２００　　光源
２０２　　コリメートレンズ
２０４　　ダイクロイックミラー
２０６　　球レンズ
２１２　　ＬＰＦ
２１４　　光検出器
２１６　　ダイヤモンド光磁気センサ
２２０　　マイクロ波供給源
３００　　太陽電池
３０２　　投光器
３０４　　フォトダイオード
３０６　　漏れ励起光
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ　　点
α、β、γ　　角度
 

Claims (21)

  1. 　電子スピンを持つカラーセンタを有し、励起光が照射されるダイヤモンドと、
    　磁気共鳴用の電磁波を前記ダイヤモンドに照射する照射部とを含み、
    　前記照射部は、振幅変調された変調光を受信し、
    　前記変調光の変調周波数は、マイクロ波の周波数帯に含まれる、ダイヤモンド光磁気センサ。
  2. 　前記照射部は、前記変調光を電気信号に変換する光電変換部をさらに含み、
    　磁気共鳴用の前記電磁波は、前記光電変換部により生成された前記電気信号により形成され、前記ダイヤモンドに照射される、請求項１に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  3. 　前記光電変換部は、前記変調光を前記電気信号に変換するフォトダイオードを含み、
    　前記照射部は、前記フォトダイオードにより生成された前記電気信号から交流成分を取出す第１バイアスティーをさらに含み、
    　磁気共鳴用の前記電磁波は、前記交流成分により形成される、請求項２に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  4. 　前記光電変換部は、投光器の光、前記変調光及び前記励起光のうちの少なくとも１種類の光を含む光の一部を電位に変換する光電変換素子を含み、
    　前記第１バイアスティーは、前記光電変換素子により生成された前記電位が印加されることにより、前記電気信号から交流成分を取出す、請求項３に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  5. 　前記光電変換部は、
    　　投光器の光、前記変調光及び前記励起光のうちの少なくとも１種類の光を含む光の一部を電力に変換する光電変換素子と、
    　　前記フォトダイオード又は前記第１バイアスティーの出力信号を増幅する増幅器とを含み、
    　前記出力信号は、前記光電変換素子により生成された前記電力が前記増幅器に印加されることにより増幅される、請求項３に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  6. 　前記変調光の搬送波は、前記励起光の波長と異なる波長を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  7. 　前記変調光の搬送波の波長は、近赤外光の波長帯に含まれる、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  8. 　前記励起光は、前記変調光の搬送波の波長と同じ波長を有し、
    　前記変調光は、前記励起光が振幅変調されることにより生成される、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  9. 　前記変調光は、レーザ光である、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。
  10. 　前記変調光は、レーザダイオードの駆動電流が前記変調周波数で変化するように制御されることにより前記レーザダイオードから出力される、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  11. 　前記変調光は、レーザ光が入力されるＬＮ素子が、前記変調周波数の変調信号により制御されることにより前記ＬＮ素子から出力される、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  12. 　前記レーザダイオードの前記駆動電流は、第２バイアスティーにより制御される、請求項１０に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  13. 　前記励起光は、レーザ光である、請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  14. 　前記変調光は、第１光ファイバを介して伝送され、前記照射部により受信される、請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  15. 　前記励起光は、第２光ファイバにより伝送され、前記ダイヤモンドに照射される、請求項１４に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  16. 　前記励起光は、前記第１光ファイバを介して伝送され、前記ダイヤモンドに照射される、請求項１４に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  17. 　前記照射部は、共鳴器を含み、
    　前記ダイヤモンドは、前記共鳴器に配置される、請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  18. 　前記ダイヤモンドは、前記光電変換部から５ｍｍ以内の位置に配置される、請求項２から請求項５のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  19. 　前記照射部は、入力される前記変調光を、磁気共鳴用の前記電磁波として前記ダイヤモンドに照射する、請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  20. 　導電部材により、滑らかな形状に形成された収容部をさらに含み、
    　前記ダイヤモンド及び前記照射部は、前記収容部に収容される、請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサ。
  21. 　請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載のダイヤモンド光磁気センサと、
    　前記変調光を生成する光変調部と、
    　前記変調光を伝送する伝送部とを含み、
    　前記変調光は、前記伝送部を介して伝送され、前記照射部により受信される、ダイヤモンド光磁気センサシステム。
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