WO2023217518A1 - Magnetfeldsensor auf basis von spinresonanzen - Google Patents

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WO2023217518A1
WO2023217518A1 PCT/EP2023/060650 EP2023060650W WO2023217518A1 WO 2023217518 A1 WO2023217518 A1 WO 2023217518A1 EP 2023060650 W EP2023060650 W EP 2023060650W WO 2023217518 A1 WO2023217518 A1 WO 2023217518A1
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sensor
layer element
crystal
magnetic field
sensor head
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PCT/EP2023/060650
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English (en)
French (fr)
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Julian Kassel
Andreas Brenneis
Timo Weggler
Tino Fuchs
Janine Riedrich-Moeller
Thomas Buck
Eckhard Wehrse
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01R33/26—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance for measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using optical pumping
    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01R33/60—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance using electron paramagnetic resonance

Definitions

  • Magnetic field sensor based on The present invention relates to a magnetic field sensor based on spin resonances in a sensor crystal, in particular a compact magnetic field sensor head based on electron spin resonances at NV centers in diamond.
  • Background of the invention In order to measure very small magnetic field strengths, quantum-based or optically pumped magnetometers are particularly suitable sensors.
  • the magnetometers described here use optically pumped and optically detected magnetic resonances (optically detected magnetic resonance, ODMR). This takes advantage of the fact that under the influence of an external magnetic field, the energy levels of certain spin states of unpaired electrons split, the so-called Zeeman effect.
  • the splitting of the energy levels results in changed transitions during relaxation from excited states, which can then be measured, for example, by optical excitation and frequency-dependent detection of the resulting fluorescence radiation or by observing optical properties such as the absorption of light.
  • the magnetic field strength can then be deduced from the measured optical parameters.
  • Diamond NV magnetometers are based on reading out the magnetic resonances of special defect centers in diamond, in particular nitrogen vacancies (NV), which occur as impurities in the carbon lattice of diamond and can also be introduced in a targeted manner. If the NV R.399771 Center in the normal state without an existing magnetic field is optically excited, for example by irradiating a pump laser beam with a suitable wavelength (in this case in the green wavelength range, e.g.
  • the frequency spacing of which is linearly proportional to the magnetic field strength of the external magnetic field.
  • the magnetic field sensitivity is defined primarily by the minimally resolvable frequency shift and can reach up to 1 pT/ ⁇ Hz or less. Since the NV center in a single-crystalline diamond has four options for arranging itself in the crystal lattice, in the presence of a directed magnetic field, the NV centers present in the crystal react to the external magnetic field with different strengths depending on their location in the crystal.
  • a sensor head and a magnetometer system with the features of the independent patent claims are proposed.
  • Advantageous refinements are the subject of the subclaims and the following description.
  • a sensor head for detecting a magnetic field is proposed, which comprises a layered assembly with a first layer element, a second layer element and a third layer element.
  • the first layer element comprises one or more optical elements for providing at least one excitation beam from a light source
  • the second layer element comprises a device for generating a resonant microwave field
  • the sensor head further comprises at least one sensor crystal and the third layer element comprises at least a first photodetector for detecting fluorescent light from the sensor crystal, the sensor crystal comprising at least one region in which spin-dependently excitable color centers are present.
  • These elements i.e. the first layer element, the second layer element, the third layer element and the sensor crystal, are designed and arranged relative to one another in such a way that the excitation beam is directed at the sensor crystal and the microwave field is generated at least in the area of the sensor crystal.
  • the device further comprises a coil arrangement for generating a static, homogeneous magnetic field at least in the area of the sensor crystal, the coil arrangement and the sensor crystal being aligned with respect to one another in such a way that the magnetic field generated is in one R.399771 azimuthal angle and at a polar angle (ie at non-zero angles) relative to the edges of the sensor crystal.
  • the polar angle can be between 71° and 83° in exemplary embodiments, preferably 77.4° (ie in an angular range of approximately ⁇ 6° around 77.4°), and the azimuthal angle can be between 17° in exemplary embodiments and 35°, preferably at 26.6° (ie in an angular range of approximately ⁇ 9° around 26.6°).
  • the polar angle can also be between 6° and 18°, preferably 12.6° (ie in an angular range of approximately ⁇ 6° around 12.6°). This enables a particularly simple and compact design of the sensor head.
  • the support surface refers to that surface of the sensor crystal that rests on a base, in particular on the first photodetector or an optical filter element arranged between the first photodetector and the sensor crystal.
  • Such a sensor head can comprise a diamond element as a sensor crystal, with the spin-dependently excitable color centers comprising nitrogen vacancy centers.
  • the coil arrangement for generating a static bias magnetic field in the area of the sensor crystal can, for example, comprise a Helmholtz coil with at least one pair of coils, the layered assembly being at least partially carried out through the winding-free area of each coil of the coil pair in such a way that that at least the sensor crystal is arranged between the coils of a pair of coils.
  • the first layer element may comprise a beam-splitting optical element that is configured to split an incident light beam into an excitation beam and a reference beam.
  • the larger portion related to the optical power can be used as the excitation beam.
  • a second photodetector can then be arranged in the third layer element for detecting the reference beam.
  • an optical filter element to be applied at least on the first photodetector, which filters light outside the wavelength range of the fluorescent light, with the sensor crystal preferably being attached to the optical filter element in such a way that the refractive indices of the materials are adjusted .
  • an optical transition caused by air can be prevented by tightly sticking it on with a suitable adhesive. This allows scattered light of other wavelengths and residual light from the excitation beam to be filtered so that only the pure fluorescence signal is recorded.
  • the second layer element comprises a planar microwave resonator, which is designed to couple in a microwave field and is tuned to a spin resonance of the color centers of the sensor crystal.
  • a planar microwave resonator which is designed to couple in a microwave field and is tuned to a spin resonance of the color centers of the sensor crystal.
  • an omega resonator that is mounted on a circuit board can be used.
  • the second layer element it is then also possible for the second layer element to be provided with at least one through hole through which the excitation beam can be irradiated onto the sensor crystal of the third layer element, the sensor crystal being arranged in such a way that it is at least partially inserted into the Through hole protrudes and lies in the plane of the planar microwave resonator.
  • a system for measuring a magnetic field ie a magnetometer
  • this system can include a light source such as a laser for providing the excitation light beam and at least one signal processing unit which is set up to determine a magnetic field strength based on the fluorescence signal which is detected by the first photodetector. men.
  • a signal processing unit can optionally be designed to be integrated with the sensor head; For example, suitable signal processing elements such as a balancing amplifier for the photodiodes can be integrated in the third layer element.
  • Figure 1 shows schematically the essential components of a NV center magnetometer
  • Figure 2a shows a magnetometer sensor head according to a possible embodiment in a longitudinal section in an oblique view
  • Figure 2b shows the sensor head from Figure 2a in a sectional view
  • Figure 2c shows an enlarged section of the sensor head from Figure 2b
  • Figure 3a shows an upper layer element of a sensor head in an oblique view
  • Figure 3b shows the upper layer element from Figure 3a in a top view
  • Figure 4 shows schematically a possible structure for irradiating the excitation light beam into the sensor head
  • Figure 5a shows a part of a lower layer element of a sensor head in an oblique view
  • Figure 5b shows an enlarged detail from Figure 5a
  • Figure 5c shows the lower layer element from Figure 5a with a spacer attached there
  • Embodiments of the Invention Figure 1 shows schematically the essential components of a NV center magnetometer.
  • a diamond 110 with nitrogen defects R.399771 (NV) available as sensor medium.
  • the optical excitation of the NV centers can be achieved by a suitable light source 120 such as a pump laser.
  • a suitable light source 120 such as a pump laser.
  • LEDs in suitable wavelength ranges can also be used.
  • the light from the light source 120 can be irradiated into the diamond 110 via suitable optical elements 122 such as mirrors, beam splitters, focusing optics such as lenses and, if necessary, via fiber optic elements.
  • the excitation light can be irradiated by the laser continuously or in pulses, so that, for example, time windows are kept free for interference-free fluorescent light measurement.
  • the magnetometer may include a microwave source 150 capable of generating an electromagnetic field across a bandwidth covering the desired resonant frequency in the sensor medium, ie in the area of the NV centers of the diamond 110.
  • the magnetometer includes a suitable microwave source 150, wherein a microwave resonator structure can be used to homogeneously distribute the generated microwaves over the volume of the measurement area in the diamond.
  • the resonator structure or the microwave source 150 is preferably tuned to the frequency of the electron spin resonances.
  • an additional static bias magnetic field 140 can be generated.
  • a Helmholtz coil for example, is suitable for generating such a magnetic field 140, in which an essentially homogeneous magnetic field can be generated in a limited area by means of a pair of coils.
  • the resulting fluorescent light from the diamond 110 can in turn be guided via suitable optical elements 134 such as optical filters, beam splitters, lenses, and / or fiber-optic elements to a first photodetector 130, which is sensitive at least in the range of the fluorescence wavelength.
  • the first photodetector 130 can also be arranged directly on the diamond 110.
  • a second photodetector 132 is arranged so that it is at least R.399771 can detect at least part of the excitation light from the light source 120, which can be coupled out, for example, through a beam splitter, a filter or a partially transparent element.
  • This detector signal 132 of the excitation light can be used as a reference signal in order to eliminate background signals and highlight the resonance signal of interest, for example by modulating the excitation light using a lock-in amplifier. Additionally or alternatively, this reference signal can be used to take fluctuations in the excitation light into account.
  • Corresponding circuits 160 such as a preamplifier, a logarithmic amplifier, a lock-in amplifier, signal filters or others are therefore provided in order to receive the signals from the first and second photodetectors and to preprocess the signals in a suitable manner for further evaluation.
  • the preprocessed fluorescence signal can be evaluated by a processing unit 170, for example with a suitable microcontroller or processor, in order to obtain the desired parameters of the detected magnetic field from the signal, in particular the magnetic field strength and optionally also the orientation of the magnetic field.
  • a processing unit 170 for example with a suitable microcontroller or processor, in order to obtain the desired parameters of the detected magnetic field from the signal, in particular the magnetic field strength and optionally also the orientation of the magnetic field.
  • Figure 2 shows a magnetometer sensor head 200 according to a possible embodiment, which is based on NV centers in diamond.
  • a longitudinal section of the sensor head 200 is shown in an oblique view in FIG. 2a and in a sectional view in FIG. 2b.
  • the entire sensor head can be designed essentially symmetrically to the cutting line in the part not shown.
  • the sensor head 200 R.399771 is constructed as a layered assembly consisting of several layers, within which the diamond 210 is embedded as an active element.
  • the diamond 210 is excited from above, whereby the laser beam 220 can be irradiated into the sensor head along the sensor axis as shown and can then be deflected onto the diamond 210 by suitable optical elements such as a prism 222.
  • the laser beam can optionally also be split at this point by a beam splitter 224, so that a significant part of the laser light is used as an excitation beam for the diamond and another part as a reference beam for the measurement.
  • the excitation optics will be described in more detail in connection with FIG. 4.
  • the optical reading of the fluorescent light from the diamond takes place in a lower layer, which includes at least one photodetector 230. If a reference beam is used, a second photodetector 232 can be provided for this.
  • the photodetectors and other elements can be mounted on a circuit board 236.
  • a pair of Helmholtz coils can be used to generate the bias magnetic field, with the various layers described above preferably being arranged within or through the Helmholtz coils, so that the measuring range of the sensor head, ie that with NV Center-doped diamond 210, located inside the coils and thus in the area of the homogeneous magnetic field.
  • the layer sequence can be mounted in the coil in a suitable manner, for example screwed to a coil holder 242, in order to form a compact sensor head element.
  • the excitation light can be in the wavelength range of approximately 510 to 532 nm, while the fluorescent light generated from the diamond can be approximately 650 to 800 nm.
  • the photodetectors are designed accordingly for these wavelengths.
  • a microwave-generating element can be provided in the layer structure, for example a microwave circuit board 250, which includes, for example, a microwave resonator tuned to the required resonance frequency, into which a suitable high-frequency connector 252 and a coaxial cable R.399771 254 a microwave field is fed in, so that a resonant microwave field is generated in the area of the diamond 210.
  • Figure 2c shows an enlarged detail of the sectional view of the sensor head from Figure 2b.
  • the Helmholtz coil is attached in such a way that the static magnetic field generated by it runs obliquely to the longitudinal axis of the sensor head and to the alignment of the diamond 210.
  • This exemplary angle results from one of several optimal constellations between the field vector of the static magnetic field and the four possible orientations of the NV centers in the diamond lattice, here based on a ⁇ 100 ⁇ diamond, ie a diamond whose outer surfaces are the ⁇ 100 ⁇ surfaces correspond, where the surfaces are given with the Miller indices.
  • this constellation it can be achieved that the different projections of the magnetic field onto the four possible directions of the NV centers mean that the directions associated with the individual resonance frequencies do not overlap, but in the ODMR spectrum each result in a difference of approx. 1 -2 MHz or more apart.
  • other angle values are also possible, so that the polar angle could also be more generally between approximately 71 and 83 degrees, i.e.
  • each of the parameters m and n can take the values 0 or 1 respectively.
  • the three parameters l, m and n which can each have the values 0 and 1, result in a total of 8 constellations.
  • the angle calculations are given here in degrees of arc and can of course alternatively be calculated or given in degrees of angle in the usual way.
  • the surface of the diamond is aligned essentially parallel to the xy axis, and the polar angle describes the angle between the pole direction z and the respective vector in the usual way.
  • R.399771 l 0 0 0 0 0 0 0 0 0 n 0 0 0 0 1 1 1 1 1 m 0 0 1 1 0 0 1 1 Table 2 (l 1)
  • R.399771 The Helmholtz coil can be made in any way;
  • a plastic body can be formed as a coil holder 242, for example by 3D printing or injection molding, which has two different radii and notches in order to wind two pairs of coils 244a, 244b and 246a, 246b with different radii thereon.
  • the coil holder 242 can be designed in such a way that it is screwed, glued, plugged or otherwise connected to the remaining elements of the sensor head. Copper wire with a suitable number of windings can be used to wind the coils. These coil pairs should fulfill the Helmholtz criterion, ie the distance between the associated coils of a coil pair should correspond to the radius of the coils.
  • the radii of the coils can be in the centimeter range, for example; Just by way of example, the first, inner pair of coils 244a and 244b can have a radius of 1 cm, while the outer, second pair of coils 246a and 246b have a radius of 1.25 cm.
  • a magnetic field 240 of approximately 1.2 mT could be generated in the example at a current of 0.42A.
  • a magnetic field in the mT range can be used, in particular in the range from 0.8 to 1.6 mT, preferably 1.5 mT.
  • other variants of a Helmholtz coil arrangement than the one described here can also be selected, for example with only one or with more than two pairs of coils.
  • Other elements can also be used to generate a homogeneous static magnetic field with an oblique orientation in the area of the diamond.
  • Figure 3a shows an upper layer element of a layered assembly as described above for a sensor head in an oblique view
  • Figure 3b shows the same layer as a view from above.
  • This top layer may include a transparent substrate 326, such as a glass (eg, a thin borosilicate glass wafer).
  • a sequence of a beam splitter 324 and a prism 322 as shown in FIG. 2b can be attached to the substrate and connected to one another, for example by gluing with a transparent adhesive (eg PDMS).
  • the beam reflected at the beam splitter 324 and irradiated from the light source can preferably be used as a reference beam R.399771, while the transmitted beam is used as an excitation beam for the diamond.
  • the beam splitter 324 can be a polarizing or a non-polarizing beam splitter. In the case of a non-polarizing beam splitter, the splitting ratio can be approximately in the range from 10:90 to 1:99. The smaller portion of the light can then be used as a reference beam, while the larger portion is used as an excitation beam. A polarizing beam splitter can preferably be used.
  • the subsequent prism 322 can be used to deflect the excitation beam by means of total reflection. Alternatively, instead of the prism, a reflector mirror or another deflection element could also be used, for example a beam splitter.
  • the transparent substrate with the applied optical elements can then be inserted into a frame 328, which can also serve as a spacer frame for the sensor head and can, for example, be injected from a plastic, 3D printed or shaped in another way.
  • a frame 328 can also serve as a spacer frame for the sensor head and can, for example, be injected from a plastic, 3D printed or shaped in another way.
  • mounting holes can be provided in the frame 328 in order to connect all layers of the sensor head together, for example by screwing.
  • other fastening variants can also be selected to connect the layers to one another.
  • the area around the optical elements is designed with a lower height, so that a correspondingly complementary coil holder can be fastened in the correct position relative to the optical components (see also Figures 2a to 2c).
  • Figure 4 shows schematically a possible structure for irradiating the excitation light beam 420 into the sensor head 400.
  • the light source 421 for optical excitation can, for example, comprise a laser, as already described.
  • the excitation laser beam 420 may then be collimated or focused such that the intensity when illuminating the diamond is approximately 100 to 1000 W/cm2, preferably approximately 150 W/cm2.
  • the light output of the laser e.g. approx. 100 mW
  • the collimated beam coming from the laser 421 can pass through two mirrors 423a, 423b, such as R.399771 silver mirror or dielectric mirror, are deflected and then pass through a lambda/2 plate 425 and a linear polarizer 427.
  • the lambda/2 plate 425 serves to rotate the linearly polarized laser radiation from the laser so that the distribution of the intensity components can be adjusted on a polarizing beam splitter in the upper layer.
  • the subsequent linear polarizer 427 serves to stabilize or project the polarization.
  • a lens 429 is used to focus the collimated beam as described above, which is then introduced into the sensor head 400 and redirected to the diamond.
  • Figures 5a and 5c show components of the lower layer from the layer sequence in the sensor head.
  • a circuit board 536 is shown as the lower substrate in FIG. 5a.
  • Two photodetectors or photodiodes for the reference beam and the fluorescent light can be applied to the top of this lower substrate 536.
  • the first photodiode 530 which is intended to detect the fluorescent light of the diamond, can be provided with a filter layer 534 that transmits the fluorescent light of the NV centers and reflects or blocks the green excitation radiation.
  • a filter can be formed, for example, by coating a glass layer 534.
  • the diamond 510 with the NV centers can then be attached to the glass layer 534.
  • the diamond 510 and the filter layer or the glass carrier of the filter layer 534 can be connected to one another and to the first photodiode 530 underneath using a transparent adhesive.
  • the diamond element 510 can be so small, as shown by way of example in the figure, that it is essentially in the order of magnitude of the incident stimulus.
  • R.399771 transmission beam is located, and in particular also significantly smaller than the photodiode underneath;
  • the arranged diamond element can comprise a thin diamond plate or another shape.
  • the entire diamond element can be doped with nitrogen vacancies, or alternatively only a part of a diamond element used as a measuring area can be doped.
  • FIG. 5b shows the first photodiode 530 from FIG. 5a, which is provided for detecting the fluorescent light, together with the filter layer 534 arranged thereon and the diamond 510 in an enlarged section.
  • the decisive factor is the orientation of the diamond 510 in relation to the Helmholtz coil or the static magnetic field B0 generated by the Helmholtz coil.
  • the diamond 510 is aligned so that its edges in the xy plane are rotated by an azimuth angle ⁇ with respect to the magnetic field orientation.
  • This azimuthal rotation angle ⁇ of the diamond can be approximately 17-35°, preferably 26.6° with respect to the orientation of the static magnetic field.
  • the circuit board with photodiodes, filter layer and diamond element thus forms the lower layer and can be connected to the remaining layers and/or to the Helmholtz coil arrangement, for example by screwing to the coil holder.
  • the bottom layer may include a frame 538 or spacer mounted on the circuit board 536, as shown in Figure 5c. On the one hand, such a frame 538 can be used to form a compact layer element together with the other layers.
  • the thickness of this frame 538 can be used to define the distance between the lower layer and thus the diamond 510 on the first photodetector and the elements of the middle and upper layer, for example the microwave board.
  • the frame can be used to shade the photodiodes 530, 532 from the external environment and/or from each other, so that unwanted photo signals are prevented as much as possible.
  • a particularly strongly absorbing material can also be used for the entire frame 538 and/or for a web inserted between the two photodiodes.
  • R.399771 can be used rial, such as aluminum.
  • the remaining frame can be formed from the same material or can, for example, be 3D printed or injection molded from a plastic.
  • the photodiode currents of the first photodiode 530 (fluorescence signal) and the second photodiode 532 (reference signal) can then be further processed in a suitable manner. For example, these signals can be subtracted from each other using a balancing detector circuit. In this way, technical noise, that is, fluctuations in the intensity of the laser light used to excite the NV centers, can be suppressed.
  • a circuit can be arranged directly on the circuit board 536, which forms the substrate of the lower layer, and from there further signal processing elements can be routed on the circuit board or at another location (eg outside the actual sensor head).
  • the middle layer comprises a substrate 650 such as a circuit board with a high dielectric constant (eg ⁇ ⁇ 10), which serves to conduct the required alternating magnetic field (microwave field) at the location of the diamond.
  • the top side 650a of the board may essentially consist of a copper layer that serves as ground potential.
  • the underside 650b of the circuit board 650 can include a microwave resonator 656, which in this example is designed as an omega resonator as shown in FIG. 6b.
  • the microwave field can then be transmitted in a suitable manner, for example with a coaxial cable 654 and a high-frequency connector 652, and fed into the microwave board 650.
  • the microwave can then be capacitively coupled to the omega resonator 656 via a strip conductor 658 on the circuit board.
  • the one shown here as an example R.399771 Omega resonator is designed for a resonance frequency of approximately 2.87 GHz with a resonance width of approximately 30-50 MHz.
  • omega resonator instead of the omega resonator shown, other resonator structures for generating the microwave field in the measuring range are also possible, in particular other planar microwave resonators.
  • the various components and layers are arranged and designed in such a way that the interacting elements are in a suitable position relative to one another, as can also be seen in FIG. 2b.
  • through holes 653, 655 are provided in the microwave board shown here in order to allow the excitation light beam and the reference light beam from the upper layer to reach the two photodiodes of the lower layer.
  • the arrangement of the through hole 653 and the optical elements can then be selected in order to position the beams correctly.
  • Further through holes are provided as fastening holes 659, so that their position is only shown here as an example.
  • 6c shows a section of the position of the three layer elements relative to one another, in particular the position of the diamond 610 on the first photodiode 630 relative to the microwave board 650 of the middle layer and the incident excitation light beam 620 from the upper layer.
  • the microwave board 620 can be arranged relative to the measuring diamond 610, for example, in such a way that the diamond 610 protrudes into the passage opening 653 of the microwave board provided for the excitation light and is the center point of the diamond or the measuring area in the diamond 610 comes to lie approximately at the level of the underside 650b of the microwave board, ie in the plane of the planar resonator 656.
  • the correct alignment can be achieved by a defined arrangement of the components on each of the layers and by a suitable geometric design of the layers, e.g R.399771 can be ensured by recesses and/or projections in the respective layers, spacers with a defined height between two layers, through holes for screwing or other elements.
  • the position of the diamond 610 relative to the microwave resonator can be adjusted by the height of the spacer or frame 638 of the lower layer.
  • the connection between the layers can also be chosen arbitrarily, so that the different layers and the coil holder can, for example, be individually glued, screwed, plugged or otherwise connected.
  • the connection can be designed to be permanent or detachable.
  • a magnetometer or a sensor head for a magnetometer as described above can be used in many areas of technology.
  • magnetometers can be used to determine the direction of the compass for navigation in vehicles or electronic devices (e.g. smartphones).
  • high-precision magnetic field sensors can be used to locate metallic or magnetic objects.
  • NV center magnetometers such as the device described here offer sufficient sensitivity to detect magnetic fields caused by currents in the human body. R.399771 bodies are created so that, for example, brain waves, nerve currents and similar parameters can be recorded and evaluated. Such measurements can then be used, for example, to create human-machine interfaces, for example in neurorehabilitation, or generally to record various health conditions.
  • the compact design allows, for example, the use of one or more sensor heads in hand-held devices, such as magnetic search devices for detecting cables and/or magnetic objects in the wall and floor. These sensor heads can also be used for any lab-on-the-chip systems that require the measurement of a magnetic field.
  • Magnetic sensors in general are used in many areas of technology, for example in monitoring the battery current of electric vehicles or for localization in robotics or autonomous vehicles. Here, precise and absolute positioning can be achieved with the help of highly sensitive magnetometers.
  • the sensor principle proposed here also offers a galvanically isolated sensor solution with a high dynamic range and very high sensitivity.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensorkopf (200, 400) zur Erfassung eines Magnetfelds, umfassend: eine geschichtete Baugruppe mit einem ersten Schichtelement, einem zweiten Schichtelement und einem dritten Schichtelement, wobei das erste Schichtelement ein oder mehrere optische Elemente (222, 224, 322, 324) zum Bereitstellen mindestens eines Anregungsstrahls (120, 220, 420, 520, 620) von einer Lichtquelle umfasst, wobei das zweite Schichtelement eine Einrichtung (250) zum Erzeugen oder Übertragen eines resonanten Mikrowellenfelds umfasst, wobei der Sensorkopf mindestens einen Sensorkristall (110, 210, 510, 610) umfasst, wobei der Sensorkristall (110, 210, 510, 610) mindestens einen Bereich umfasst, in dem spinabhängig anregbare Farbzentren vorhanden sind; wobei das dritte Schichtelement mindestens einen ersten Photodetektor (130, 230, 530, 630) zum Erfassen von Fluoreszenzlicht aus dem Sensorkristall (110, 210, 510, 610) umfasst, wobei das erste Schichtelement, das zweite Schichtelement, das dritte Schichtelement und der Sensorkristall so ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass der Anregungsstrahl (220, 420, 520, 620) auf den Sensorkristall (110, 210, 510, 610) gerichtet ist und das Mikrowellenfeld mindestens im Bereich des Sensorkristalls erzeugt wird; und wobei die Vorrichtung weiter eine Spulenanordnung (242, 244, 246) zur Erzeugung eines statischen homogenen Magnetfelds (240) mindestens im Bereich des Sensorkristalls (110, 210, 510, 610) umfasst, wobei die Spulenanordnung (242, 244, 246) und der Sensorkristall (110, 210, 510, 610) in Bezug aufeinander so ausgerichtet sind, dass das erzeugte statische homogene Magnetfeld (240) in einem azimutalen Winkel und in einem polaren Winkel relativ zu den Kanten der Auflagefläche des Sensorkristalls ausgerichtet ist.

Description

R.399771 Beschreibung Titel Magnetfeldsensor auf Basis von
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor auf Basis von Spinre- sonanzen in einem Sensorkristall, insbesondere einen kompakten Magnetfeld- Sensorkopf auf Basis von Elektronspinresonanzen an NV-Zentren in Diamant. Hintergrund der Erfindung Um sehr kleine Magnetfeldstärken zu messen, eignen sich als Sensoren insbe- sondere quantenbasierte bzw. optisch gepumpte Magnetometer. Die hier be- schriebenen Magnetometer nutzen optisch gepumpte und optisch detektierte magnetische Resonanzen (optically detected magnetic resonance, ODMR). Da- bei wird ausgenutzt, dass unter Einfluss eines äußeren Magnetfelds die Energi- eniveaus bestimmter Spinzustände ungepaarter Elektronen aufspalten, der soge- nannte Zeeman-Effekt. Durch die Aufspaltung der Energieniveaus ergeben sich veränderte Übergänge bei der Relaxation aus angeregten Zuständen, die dann beispielsweise durch optische Anregung und frequenzabhängige Detektion der resultierenden Fluoreszenzstrahlung oder durch Beobachtung optischer Eigen- schaften wie der Absorption von Licht gemessen werden können. Aus den ge- messenen optischen Parametern kann dann wiederum auf die Magnetfeldstärke geschlossen werden. Diamant-NV-Magnetometer beruhen auf dem Auslesen der Magnetresonanzen von speziellen Defektzentren in Diamant, insbesondere von Stickstoff-Fehlstellen (NV, nitrogen vacancy), die als Verunreinigungen des Kohlenstoffgitters von Dia- mant auftreten und auch gezielt eingebracht werden können. Wird das NV- R.399771 Zentrum im Normalzustand ohne vorhandenes Magnetfeld optisch angeregt, in- dem z.B. ein Pumplaserstrahl mit geeigneter Wellenlänge (in diesem Fall im grü- nen Wellenlängenbereich, z.B. bei 532nm für eine off-resonance-Anregung) ein- gestrahlt wird, werden die Elektronen vom Triplett-Grundzustand in den angereg- ten Triplett-Zustand gehoben und relaxieren unter Emission von Fluoreszenzlicht im roten Wellenlängenbereich bei 650 – 800 nm (637nm = zero phonon line). Da die Wahrscheinlichkeit für nicht spinerhaltende Übergänge aus dem Spinzustand mit der Spinquantenzahl ms=±1 größer ist, sorgt ein fortlaufendes Anregungs- pumpen dafür, dass die NV-Zentren größtenteils im Spinzustand ms=0 hyperpo- larisiert werden. Zwischen den ms = 0 und ms=±1 Spinzuständen im Grundzustand besteht eine Energiedifferenz, die in diesem Fall bei etwa 2,87 GHz liegt. Strahlt man also ne- ben der optischen Anregung noch Mikrowellenstrahlung in den Diamanten ein, kommt es bei dieser Resonanzfrequenz von 2,87 GHz zu einem Einbruch der ro- ten Fluoreszenz, da die spinpolarisierten Elektronen durch das Mikrowellenfeld vom ms = 0 in den ms=±1 -Grundzustand gehoben werden und von dort durch das Pumplicht in den ms=±1 angeregten Zustand angeregt werden. Von dort tre- ten jedoch vor allem nichtstrahlende Übergänge und schwach infrarote Fluores- zenzübergänge über den Singulett-Zustand auf, während die Fluoreszenz im ro- ten Bereich wegfällt. Wenn nun ein externes Magnetfeld vorhanden ist, kommt es durch den soge- nannten Zeeman-Effekt zur Aufspaltung der ansonsten gleichenergetischen ms=±1 Triplett-Niveaus in energetisch äquidistante Zeeman-Niveaus. Bei Auftra- gung der Fluoreszenz gegen ein Frequenzspektrum der Mikrowellenanregung zeigen sich dann zwei Dips im Fluoreszenzspektrum, deren Frequenzabstand li- near proportional zur magnetischen Feldstärke des externen Magnetfelds ist. Die Magnetfeldsensitivität wird dabei vor allem durch die minimal auflösbare Fre- quenzverschiebung definiert und kann bis 1 pT/√Hz oder weniger erreichen. Da das NV-Zentrum im einkristallinen Diamanten vier Möglichkeiten besitzt, sich im Kristallgitter anzuordnen, kommt es bei Anwesenheit eines gerichteten Magnet- felds dazu, dass die im Kristall vorhandenen NV-Zentren je nach Lage im Kristall unterschiedlich stark auf das äußere Magnetfeld reagieren. Dadurch können im R.399771 Idealfall vier Paare von Fluoreszenz-Minima im Spektrum auftauchen, aus deren Form und Lage zueinander sowohl die Magnetfeldstärke als Betrag als auch die Richtung des externen Magnetfelds eindeutig bestimmbar sind. Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß werden ein Sensorkopf und ein Magnetometersystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Aus- gestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Be- schreibung. Um diese Effekte in der Praxis auszunutzen, besteht Bedarf nach möglichst un- empfindlichen, kompakten Sensoraufbauten zur Erfassung von Magnetfeldern in einem gewünschten Bereich. Insbesondere wird ein Sensorkopf zur Erfassung eines Magnetfelds vorgeschla- gen, welcher eine geschichtete Baugruppe mit einem ersten Schichtelement, ei- nem zweiten Schichtelement und einem dritten Schichtelement umfasst. Dabei umfasst das erste Schichtelement ein oder mehrere optische Elemente zum Be- reitstellen mindestens eines Anregungsstrahls von einer Lichtquelle, und das zweite Schichtelement umfasst eine Einrichtung zum Erzeugen eines resonanten Mikrowellenfelds. Der Sensorkopf umfasst weiter mindestens einen Sensorkristall und das dritte Schichtelement umfasst mindestens einen ersten Photodetektor zum Erfassen von Fluoreszenzlicht aus dem Sensorkristall, wobei der Sensor- kristall mindestens einen Bereich umfasst, in dem spinabhängig anregbare Farb- zentren vorhanden sind. Diese Elemente, also das erste Schichtelement, das zweite Schichtelement, das dritte Schichtelement und der Sensorkristall sind so ausgebildet und relativ zueinander angeordnet, dass der Anregungsstrahl auf den Sensorkristall gerichtet ist und das Mikrowellenfeld mindestens im Bereich des Sensorkristalls erzeugt wird. Weiter umfasst die Vorrichtung eine Spulenano- rdnung zur Erzeugung eines statischen homogenen Magnetfelds mindestens im Bereich des Sensorkristalls, wobei die Spulenanordnung und der Sensorkristall in Bezug aufeinander so ausgerichtet sind, dass das erzeugte Magnetfeld in einem R.399771 azimutalen Winkel und in einem polaren Winkel (d.h. jeweils in Winkeln ungleich null) relativ zu den Kanten des Sensorkristalls ausgerichtet ist. Der polare Winkel kann dabei in beispielhaften Ausführungsformen zwischen 71° und 83° liegen, bevorzugt bei 77,4° (d.h. in einem Winkelbereich von etwa ±6° um 77,4°), und der azimutale Winkel kann in beispielhaften Ausführungsformen zwischen 17° und 35°, bevorzugt bei 26,6° (d.h. in einem Winkelbereich von etwa ±9° um 26,6°) liegen. Aufgrund der Symmetrie des Diamantgitters können o.B.d.A dabei auch weitere verschiedene Winkel gewählt werden. So kann der polare Winkel auch zwischen 6° und 18° liegen, bevorzugt bei 12,6° (d.h. in einem Winkelbereich von etwa ±6° um 12,6°), Dies ermöglicht einen be- sonders einfachen und kompakten Aufbau des Sensorkopfes. Der polare Winkel wird dabei relativ zu den Kanten der Auflagefläche des Sensorkristalls gemessen und entspricht einem Polarwinkel von 90°-12,6°=77,4° zur z-Richtung senkrecht zur Auflagefläche. Als Auflagefläche wird dabei insbesondere diejenige Fläche des Sensorkristalls bezeichnet, die auf einer Unterlage, insbesondere auf dem ersten Photodetektor oder einem zwischen dem ersten Photodetektor und dem Sensor- kristall angeordneten optischen Filterelement aufliegt. Dabei gilt für den Polarwinkel, dass für jeden geeigneten Winkel θ auch ein wei- terer geeigneter Winkel π - θ existiert. Für den Azimutwinkel gilt dagegen, dass für jeden geeigneten Winkel ϕ auch zwei weitere geeignete Winkel π/2 – ϕ und π/2 + ϕ existieren. Die Winkel sind hier in Bogengrad berechnet. Dadurch kann erreicht werden, dass die vier möglichen Ausrichtungen der NV- Zentren im Spektrum trennbar werden, so dass auch die Ausrichtung des zu be- stimmenden Magnetfelds ermittelt werden kann. Insbesondere kann ein solcher Sensorkopf als Sensorkristall ein Diamantelement umfassen, wobei die spinabhängig anregbaren Farbzentren Stickstoff-Fehlstel- len-Zentren umfassen. R.399771 Die Spulenanordnung zur Erzeugung eines statischen Bias-Magnetfelds im Be- reich des Sensorkristalls kann beispielsweise eine Helmholtzspule mit mindes- tens einem Spulenpaar umfassen, wobei die geschichtete Baugruppe zumindest teilweise durch den wicklungsfreien Bereich jeder Spule des Spulenpaars so hin- durchgeführt ist, dass zumindest der Sensorkristall jeweils zwischen den Spulen eines Spulenpaars angeordnet ist. Damit wird ein möglichst homogenes Magnet- feld im Messbereich erzeugt. In beispielhaften Ausführungsformen kann das erste Schichtelement ein strahltei- lendes optisches Element umfassen, welches dazu eingerichtet ist, einen einfal- lenden Lichtstrahl in einen Anregungsstrahl und einen Referenzstrahl aufzuteilen. Dabei kann insbesondere der auf die optische Leistung bezogene größere Anteil als Anregungsstrahl verwendet werden. Durch die Messung des Referenzstrahls können Schwankungen des einfallenden Lichts bei der Auswertung des Fluores- zenzsignals berücksichtigt werden und damit ein genaueres Signal erhalten wer- den. Dabei kann dann beispielsweise ein zweiter Photodetektor in dem dritten Schichtelement zum Erfassen des Referenzstrahls angeordnet sein. Es ist möglich, dass zumindest auf dem ersten Photodetektor ein optisches Fil- terelement aufgebracht wird, welches Licht außerhalb des Wellenlängenbereichs des Fluoreszenzlichts filtert, wobei der Sensorkristall auf dem optischen Filterele- ment bevorzugt so angebracht ist, dass die Brechungsindizes der Materialien an- gepasst sind. Beispielsweise kann durch dichtes Aufkleben mit einem geeigneten Kleber ein optischer Übergang durch Luft verhindert werden. Damit kann Streu- licht anderer Wellenlängen und Restlicht des Anregungsstrahls gefiltert werden, so dass nur das reine Fluoreszenzsignal erfasst wird. Die Anbringung des Kris- talls direkt auf dem Filterelement bzw. der Photodiode ermöglicht eine exakte Ausrichtung und Anordnung in Bezug auf alle anderen Elemente. Darüber hinaus ist es möglich, dass das zweite Schichtelement einen planaren Mikrowellenresonator umfasst, der zum Einkoppeln eines Mikrowellenfelds ein- gerichtet ist und auf eine Spinresonanz der Farbzentren des Sensorkristalls ge- stimmt ist. Beispielsweise kann ein Omega-Resonator verwendet werden, der auf einer Platine aufgebracht ist. R.399771 Dann ist auch möglich, dass das zweite Schichtelement mit mindestens einem Durchgangsloch versehen ist, durch welches der Anregungsstrahl auf den Sen- sorkristall des dritten Schichtelements eingestrahlt werden kann, wobei der Sen- sorkristall so angeordnet ist, dass er zumindest teilweise in das Durchgangsloch hineinragt und in der Ebene des planaren Mikrowellenresonators liegt. Damit kann sichergestellt werden, dass das Mikrowellenfeld insbesondere im interes- sierenden Bereich, d.h. im dotierten Bereich des Sensorkristalls bzw. Diamanten, erzeugt wird. Mit einem Sensorkopf wie vorstehend beschrieben kann ein System zum Messen eines Magnetfelds gebildet werden, d.h. ein Magnetometer. Neben dem Sensor- kopf kann dieses System eine Lichtquelle wie etwa einen Laser zum Bereitstellen des Anregungslichtstrahls und mindestens eine Signalverarbeitungseinheit um- fassen, die dazu eingerichtet ist, auf Basis des Fluoreszenzsignals, welches von dem ersten Photodetektor erfasst wird, eine magnetische Feldstärke zu bestim- men. Dabei kann auch ein Teil einer solchen Signalverarbeitungseinheit optional mit dem Sensorkopf integriert ausgebildet sein; z.B. können geeignete Signalver- arbeitungselemente wie ein balancierender Verstärker für die Photodioden in dem dritten Schichtelement integriert sein. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Be- schreibung und der beiliegenden Zeichnung. Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schema- tisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung be- schrieben. Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt schematisch die wesentlichen Komponenten eines NV-Zentren- Magnetometers; R.399771 Figur 2a zeigt einen Magnetometer-Sensorkopf gemäß einer möglichen Ausfüh- rungsform im Längsschnitt in einer Schrägansicht; Figur 2b zeigt den Sensorkopf aus Figur 2a in einer Schnittansicht; Figur 2c zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Sensorkopfs aus Figur 2b; Figur 3a zeigt ein oberes Schichtelement eines Sensorkopfs in Schrägansicht; Figur 3b zeigt das obere Schichtelement aus Figur 3a in Draufsicht; Figur 4 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau zur Einstrahlung des Anre- gungslichtstrahls in den Sensorkopf; Figur 5a zeigt einen Teil eines unteren Schichtelements eines Sensorkopfs in Schrägansicht; Figur 5b zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 5a; Figur 5c zeigt das untere Schichtelement aus Figur 5a mit einem darauf ange- brachten Abstandhalter; Figur 6a zeigt beispielhaft ein mittleres Schichtelement für einen Sensorkopf in Schrägansicht zusammen mit dem unteren Schichtelement; Figur 6b zeigt eine Ansicht der Unterseite des mittleren Schichtelements; und Figur 6c zeigt eine vergrößerte Schnittansicht der drei Schichtelemente im Be- reich des Diamantelements. Ausführungsformen der Erfindung Figur 1 zeigt schematisch die wesentlichen Komponenten eines NV-Zentren- Magnetometers. Dabei ist zunächst ein Diamant 110 mit Stickstoff-Fehlstellen R.399771 (NV) als Sensormedium vorhanden. Die optische Anregung der NV-Zentren kann durch eine geeignete Lichtquelle 120 wie etwa einen Pumplaser erreicht werden. Hier eignet sich beispielsweise ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser oder Halbleiterlaser im grünen Bereich von etwa 510-532nm, z.B. bei 532nm für eine off-resonance-Anregung. Alternativ können auch LEDs in geeigneten Wellenlän- genbereichen genutzt werden. Je nach Anordnung kann das Licht der Lichtquelle 120 über geeignete optische Elemente 122 wie etwa Spiegel, Strahlteiler, fokus- sierende Optik wie linsen und gegebenenfalls über faseroptische Elemente in den Diamanten 110 eingestrahlt werden. Außerdem kann das Anregungslicht durch den Laser kontinuierlich oder gepulst eingestrahlt werden, so dass bei- spielsweise Zeitfenster zur störungsfreien Fluoreszenzlichtmessung freigehalten werden. Weiter kann das Magnetometer eine Mikrowellenquelle 150 umfassen, die in der Lage ist, ein elektromagnetisches Feld über eine Bandbreite hinweg, die die er- wünschte Resonanzfrequenz abdeckt, im Sensormedium zu erzeugen, d.h. im Bereich der NV-Zentren des Diamanten 110. Darüber hinaus kann das Magneto- meter eine geeignete Mikrowellenquelle 150 umfassen, wobei eine Mikrowellen- Resonatorstruktur verwendet werden kann, um die erzeugten Mikrowellen über das Volumen des Messbereichs im Diamanten homogen zu verteilen. Die Re- sonatorstruktur bzw. die Mikrowellenquelle 150 ist dabei bevorzugt auf die Fre- quenz der Elektronenspinresonanzen gestimmt. Um Vektormagnetometrie zu er- möglichen, kann ein zusätzliches statisches Bias-Magnetfeld 140 erzeugt wer- den. Zur Erzeugung eines solchen Magnetfelds 140 eignet sich beispielsweise eine Helmholtz-Spule, bei der mittels eines Spulenpaars ein im wesentlichen ho- mogenes Magnetfeld in einem begrenzten Bereich erzeugt werden kann. Das entstehende Fluoreszenzlicht aus dem Diamanten 110 kann wiederum über geeignete optische Elemente 134 wie etwa optische Filter, Strahlteiler, Linsen, und/oder faseroptische Elemente zu einem ersten Photodetektor 130 geleitet werden, der mindestens im Bereich der Fluoreszenzwellenlänge empfindlich ist. Der erste Photodetektor 130 kann auch unmittelbar an dem Diamanten 110 an- geordnet sein. Ein zweiter Photodetektor 132 ist so angeordnet, dass er zumin- R.399771 dest einen Teil des Anregungslichts der Lichtquelle 120 detektieren kann, wel- ches beispielsweise durch einen Strahlteiler, einen Filter oder ein teildurchlässi- ges Element ausgekoppelt werden kann. Dieses Detektorsignal 132 des Anre- gungslichts kann als Referenzsignal verwendet werden, um beispielsweise durch Modulation des Anregungslichts mittels eines Lock-In-Verstärkers Hinter- grundsignale zu eliminieren und das interessierende Resonanzsignal herauszu- stellen. Zusätzlich oder alternativ kann dieses Referenzsignal verwendet werden, um Schwankungen des Anregungslichts zu berücksichtigen. Entsprechende Schaltungen 160 wie ein Vorverstärker, ein logarithmischer Verstärker, ein Lock- In-Verstärker, Signalfilter oder andere sind also vorgesehen, um die Signale des ersten und des zweiten Photodetektors zu erhalten und die Signale auf geeignete Weise für die weitere Auswertung vorzuverarbeiten. Schließlich kann durch eine Verarbeitungseinheit 170 das vorverarbeitete Fluoreszenzsignal ausgewertet werden, z.B. mit einem geeigneten Mikrocontroller oder Prozessor, um aus dem Signal die gewünschten Parameter des detektierten Magnetfelds zu erhalten, ins- besondere die Magnetfeldstärke und optional auch die Ausrichtung des Magnet- felds. Im Folgenden wird ein beispielhafter Aufbau eines Sensorkopfs eines solchen Magnetometers beschrieben, bei dem die relevanten Einheiten räumlich kompakt integriert sind. Zur Anregung der NV-Zentren im Diamanten müssen drei Felder im Sensorkopf geschickt überlagert werden, nämlich die optische Anregung bzw. der Anregungslichtstrahl, die Anregung über das Mikrowellenfeld (entsprechend einem magnetischen Wechselfeld), sowie das statische Bias-Magnetfeld. Daher werden alle Komponenten, die diese Felder bereitstellen, in Bezug auf die Posi- tion und Lage des Diamanten ausgelegt und in den nachstehenden Erläuterun- gen mit diesem Bezug beschrieben. Figur 2 zeigt einen Magnetometer-Sensorkopf 200 gemäß einer möglichen Aus- führungsform, der auf NV-Zentren in Diamant beruht. Dabei ist ein Längsschnitt des Sensorkopfs 200 in Figur 2a in einer Schrägansicht und in Figur 2b in einer Schnittansicht gezeigt. Der gesamte Sensorkopf kann im nicht gezeigten Teil im Wesentlichen symmetrisch zu der Schnittlinie gestaltet sein. Der Sensorkopf 200 R.399771 ist als geschichtete Baugruppe aus mehreren Schichten aufgebaut, innerhalb de- rer der Diamant 210 als aktives Element eingebettet ist. Die Anregung des Dia- manten 210 erfolgt in diesem Beispiel von oben, wobei der Laserstrahl 220 wie gezeigt längs zur Sensorachse in den Sensorkopf eingestrahlt werden kann und dann durch geeignete optische Elemente wie etwa ein Prisma 222 auf den Dia- manten 210 umgelenkt werden kann. Dabei kann der Laserstrahl optional auch an dieser Stelle durch einen Strahlteiler 224 aufgeteilt werden, so dass ein we- sentlicher Teil des Laserlichts als Anregungsstrahls für den Diamanten genutzt wird und ein weiterer Teil als Referenzstrahl für die Messung. Die Anregungsop- tik wird in Zusammenhang mit Figur 4 noch näher beschrieben. Das optische Auslesen des Fluoreszenzlichts aus dem Diamanten erfolgt in einer unteren Schicht, die mindestens einen Photodetektor 230 umfasst. Falls ein Referenz- strahl verwendet wird, kann dafür ein zweiter Photodetektor 232 vorgesehen sein. Die Photodetektoren und weitere Elemente können auf einer Platine 236 montiert sein. Außerdem kann ein Helmholtz-Spulenpaar verwendet werden, um das Bias-Mag- netfeld zu erzeugen, wobei die verschiedenen vorstehend beschriebenen Schich- ten bevorzugt innerhalb bzw. durch die Helmholtzspulen hindurch angeordnet werden, so dass der Messbereich des Sensorkopfs, d.h. der mit NV-Zentren do- tierte Diamant 210, im Inneren der Spulen und damit im Bereich des homogenen Magnetfelds liegt. Die Schichtfolge kann auf geeignete Weise in der Spule mon- tiert werden, beispielsweise mit einem Spulenhalter 242 verschraubt werden, um so ein kompaktes Sensorkopf-Element zu bilden. Das Anregungslicht kann ent- sprechend den jeweiligen Spinübergängen im Wellenlängenbereich von etwa 510 bis 532 nm liegen, während das damit erzeugte Fluoreszenzlicht aus dem Diamanten bei etwa 650 bis 800 nm liegen kann. Entsprechend sind die Pho- todetektoren für diese Wellenlängen ausgebildet. Darüber hinaus kann ein mikrowellenerzeugendes Element in der Schichtstruktur vorgesehen sein, beispielsweise eine Mikrowellenplatine 250, die z.B. einen auf die erforderliche Resonanzfrequenz gestimmten Mikrowellenresonator umfasst, in den über einen geeigneten Hochfrequenzstecker 252 und ein Koaxialkabel R.399771 254 ein Mikrowellenfeld eingespeist wird, so dass ein resonantes Mikrowellenfeld im Bereich des Diamanten 210 erzeugt wird. Figur 2c zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Schnittansicht des Sensor- kopfs aus Figur 2b. Dabei ist die Helmholtzspule so angebracht, dass das durch diese erzeugte statische Magnetfeld schräg zu der Längsachse des Sensorkopfs und zur Ausrichtung des Diamanten 210 verläuft. Im vorliegenden Beispiel ist das statische Magnetfeld 240, das parallel zu den Mittenachsen der beiden Spulen 244, 246 des Helmholtz-Spurenpaars verläuft, so orientiert, dass es in Bezug auf die Kanten des Diamanten 210 einen Winkel von beispielsweise 12,6° einnimmt, entsprechend einem Polarwinkel von 90°-12,6°=77,4° zur Einstrahlrichtung bzw. z-Richtung senkrecht zur Auflagefläche. Entsprechend sind auch die Spulenebe- nen der Helmholtzspulen um diesen Winkel gegenüber der Senkrechten gekippt. Dieser beispielhafte Winkel ergibt sich aus einer von mehreren optimalen Kons- tellationen zwischen dem Feldvektor des statischen Magnetfelds und den vier möglichen Orientierungen der NV-Zentren im Diamantgitter, hier bezogen auf ei- nen {100}-Diamanten, d.h. einen Diamanten, dessen Außenflächen den {100}- Flächen entsprechen, wobei die Flächen mit den millerschen Indizes angegeben sind. Mit dieser Konstellation kann erreicht werden, dass die unterschiedlichen Projektionen des Magnetfelds auf die vier möglichen Richtungen der NV-Zentren dazu führen, dass die mit den einzelnen Resonanzfrequenzen assoziierten Rich- tungen nicht überlappen, sondern im ODMR-Spektrum im Ergebnis jeweils um ca.1-2 MHz oder mehr voneinander beabstandet sind. Grundsätzlich sind aber auch andere Winkelwerte möglich, so dass der Polarwinkel auch allgemeiner zwischen etwa 71 und 83 Grad liegen könnte, also so, dass das B-Feld gegen- über der Auflagefläche des Diamanten in einem Winkel von etwa 6 bis 18° steht. Aufgrund der Symmetrieverhältnisse im Diamantgitter sind weitere Winkel bzw. Winkelbereiche möglich. Dabei gilt für den Polarwinkel, dass für jeden geeigneten Winkel ^ auch ein wei- terer geeigneter Winkel ^ − ^ existiert, ^ → ^ − ^ R.399771 Dies lässt sich parametrisieren als ^ → ^ ⋅ ^ + (1 − 2 ⋅ ^) ⋅ ^ wobei der Parameter l den Wert 0 oder 1 annehmen kann. Für den Azimutwinkel gilt, dass für jeden geeigneten Winkel ϕ auch zwei weitere ^ ^ geeignete Winkel ^ −
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und ^ + ^ existieren, also ^ ^ → ^ − ^ und ^
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Zusammen lassen sich diese beiden weiteren Winkel wie parametrisieren:
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wobei jeder der Parameter m und n jeweils die Werte 0 oder 1 annehmen kann. Aus den drei Parametern l, m und n, die jeweils die Werte 0 und 1 annehmen können, ergeben sich also insgesamt 8 Konstellationen. Die Winkelberechnungen sind hier in Bogengrad angegeben und können natür- lich alternativ auch auf übliche Weise in Winkelgrad berechnet bzw. angegeben werden. In den angefügten Tabellen 1 und 2 sind beispielhaft weitere mögliche Werte für den Azimutwinkel (azi) und den Polarwinkel (pol) jeweils in Bogengrad (rad) und Winkelgrad (deg) angegeben. Dabei sind in den ersten beiden Spalten verschie- dene geeignete Kombinationen aus Azimutwinkel und Polarwinkel angegeben, die als Ausgangswinkel dienen. Durch Variation der Parameter l, m, n werden dann in den weiteren Spalten wie oben beschrieben weitere geeignete Kombina- tionen aus Azimut- und Polarwinkel gefunden. Es versteht sich, dass nicht nur die exakten Werte geeignet sind, die in dieser Tabelle angegeben sind, sondern dass wie beim vorherigen Ausführungsbeispiel jeweils beidseitige Bereiche von einigen Winkelgrad ebenfalls noch als geeignet gelten können. Dabei ist die Oberfläche des Diamanten im Wesentlichen parallel zur x-y-Achse ausgerichtet, und der Polarwinkel beschreibt auf übliche Weise den Winkel zwi- schen der Polrichtung z und dem jeweiligen Vektor. R.399771 l 0 0 0 0 0 0 0 0 n 0 0 0 0 1 1 1 1 m 0 0 1 1 0 0 1 1
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Tabelle 2 (l = 1) R.399771 Die Helmholtzspule kann auf beliebige Weise hergestellt werden; beispielsweise kann ein Kunststoffkörper als Spulenhalter 242 gebildet werden, z.B. durch 3D- Drucken oder Spritzguss, der zwei unterschiedliche Radien und Kerben aufweist, um darauf zwei Spulenpaare 244a, 244b und 246a, 246b mit unterschiedlichen Radien zu wickeln. Der Spulenhalter 242 kann so ausgebildet sein, dass er mit den übrigen Elementen des Sensorkopfs verschraubt, verklebt, gesteckt oder an- derweitig verbunden werden. Zur Wicklung der Spulen kann Kupferdraht mit ei- ner geeigneten Anzahl von Wicklungen verwendet werden. Diese Spulenpaare sollen das Helmholtz-Kriterium erfüllen, d.h. der Abstand der zusammengehöri- gen Spulen eines Spulenpaars soll jeweils dem Radius der Spulen entsprechen. Die Radien der Spulen können beispielsweise im Zentimeterbereich liegen; nur beispielhaft kann das erste, innere Spulenpaar 244a und 244b einen Radius von 1 cm aufweisen, während das äußere, zweite Spulenpaar 246a und 246b einen Radius von 1,25cm aufweist. Mit einem Leitungsdurchmesser von 0,3mm, 14 Wicklungen für die erste Spule 244 und 23 Wicklungen für die zweite Spule 246 konnte im Beispiel ein Magnetfeld 240 von etwa 1,2 mT bei einem Strom von 0,42A erzeugt werden. Generell kann ein Magnetfeld im mT-Bereich verwendet werden, insbesondere im Bereich von 0,8 bis 1,6 mT, vorzugsweise 1,5 mT. Es versteht sich, dass auch andere Varianten einer Helmholtz-Spulenanordnung als die hier beschriebene gewählt werden können, z.B. mit nur einem oder mit mehr als zwei Spulenpaaren. Ebenso können andere Elemente genutzt werden, um im Bereich des Diamanten ein homogenes statisches Magnetfeld mit schrä- ger Ausrichtung zu erzeugen. Figur 3a zeigt ein oberes Schichtelement einer geschichteten Baugruppe wie vor- stehend beschrieben für einen Sensorkopf in Schrägansicht, während Figur 3b dieselbe Schicht als Ansicht von oben zeigt. Diese obere Schicht kann ein trans- parentes Substrat 326 umfassen, wie etwa ein Glas (z.B. ein Wafer aus einem dünnen Borosilikatglas). Auf dem Substrat kann eine Abfolge aus einem Strahl- teiler 324 und einem Prisma 322 wie in Figur 2b gezeigt angebracht und mitei- nander verbunden werden, beispielsweise durch Aufkleben mit einem transpa- renten Kleber (z.B. PDMS). Der am Strahlteiler 324 reflektierte Strahl, der aus der Lichtquelle eingestrahlt wird, kann bevorzugt als Referenzstrahl verwendet R.399771 werden, während der transmittierte Strahl als Anregungsstrahl für den Diamanten verwendet wird. Bei dem Strahlteiler 324 kann es sich um einen polarisierenden oder einen nicht polarisierenden Strahlteiler handeln. Im Falle eines nicht polari- sierenden Strahlteilers kann das Aufteilungsverhältnis etwa im Bereich von 10:90 bis 1:99 liegen. Der kleinere Anteil des Lichts kann dann als Referenzstrahl ver- wendet werden, während der größere Teil als Anregungsstrahl verwendet wird. Bevorzugt kann ein polarisierender Strahlteiler verwendet werden. Das anschlie- ßende Prisma 322 kann zur Umlenkung des Anregungsstrahls mittels Totalrefle- xion verwendet werden. Alternativ könnte aber anstelle des Prismas auch ein Re- flektorspiegel oder ein anderes Umlenkelement verwendet werden, beispiels- weise auch ein Strahlteiler. Das transparente Substrat mit den aufgebrachten optischen Elementen kann dann in einen Rahmen 328 eingesetzt werden, der auch als Abstandsrahmen für den Sensorkopf dienen kann und z.B. aus einem Kunststoff gespritzt, 3D-ge- druckt oder auf andere Weise geformt werden kann. Wie in der Figur zu sehen ist, können in dem Rahmen 328 Befestigungslöcher vorgesehen sein, um alle Schichten des Sensorkopfs miteinander zu verbinden, z.B. durch Verschrauben. Ebenso können aber auch andere Befestigungsvarianten gewählt werden, um die Schichten miteinander zu verbinden. Ebenfalls ist zu sehen, dass in diesem Beispiel der Bereich rund um die optischen Elemente mit einer geringeren Höhe ausgebildet ist, so dass ein entsprechend komplementär ausgebildeter Spulen- halter in der korrekten Position relativ zu den optischen Komponenten befestigt werden kann (siehe auch Figuren 2a bis 2c). Figur 4 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau zur Einstrahlung des Anre- gungslichtstrahls 420 in den Sensorkopf 400. Die Lichtquelle 421 zur optischen Anregung kann wie bereits beschrieben beispielsweise einen Laser umfassen. Der Anregungslaserstrahl 420 kann dann kollimiert oder derart fokussiert sein, dass die Intensität beim Beleuchten des Diamanten etwa 100 bis 1000 W/cm², vorzugsweise etwa 150 W/cm², beträgt. Zu diesem Zweck kann die Lichtleistung des Lasers (z.B. ca.100 mW) auf einen Strahldurchmesser von etwa 300 Mikro- metern auf der Oberseite des Diamanten fokussiert werden. Dabei kann der vom Laser 421 kommende kollimierte Strahl über zwei Spiegel 423a, 423b, wie etwa R.399771 Silberspiegel oder dielektrische Spiegel, umgelenkt werden und anschließend ein Lambda/2-Plättchen 425 sowie einen Linearpolarisator 427 durchlaufen. Das Lambda/2-Plättchen 425 dient dazu, die linearpolarisierte Laserstrahlung vom Laser zu drehen, so dass die Aufteilung der Intensitätsanteile an einem polarisie- renden Strahlteiler in der oberen Schicht eingestellt werden kann. Der anschlie- ßende Linearpolarisator 427 dient zur Stabilisierung bzw. Projektion der Polarisa- tion. Schließlich wird eine Linse 429 verwendet, um den kollimierten Strahl wie oben beschrieben zu fokussieren, der dann in den Sensorkopf 400 eingeleitet und bis zum Diamanten umgelenkt wird. Figuren 5a und 5c zeigen Bestandteile der unteren Schicht aus der Schichtfolge im Sensorkopf. Dabei ist in Figur 5a eine Platine 536 als unteres Substrat darge- stellt. Auf der Oberseite dieses unteren Substrats 536 können zwei Photodetek- toren bzw. Photodioden für den Referenzstrahl und das Fluoreszenzlicht aufge- bracht werden. Die erste Photodiode 530, die das Fluoreszenzlicht des Diaman- ten detektieren soll, kann mit einer Filterschicht 534 versehen werden, die das Fluoreszenzlicht der NV-Zentren transmittiert und die grüne Anregungsstrahlung reflektiert bzw. blockiert. Ein solcher Filter kann beispielsweise durch Beschich- ten einer Glasschicht 534 gebildet werden. Auf der Glasschicht 534 kann dann der Diamant 510 mit den NV-Zentren befestigt werden. Auch hier können der Di- amant 510 und die Filterschicht bzw. der Glasträger der Filterschicht 534 mit ei- nem transparenten Kleber miteinander und mit der darunterliegenden ersten Photodiode 530 verbunden werden. Dabei soll zwischen dem Diamanten 510 und der Photodiode 530 kein optischer Übergang durch Luft entstehen. Auch auf der zweiten Photodiode 532, welche den Referenzstrahl detektieren soll, kann ein optischer Filter aufgebracht sein (z.B. wiederum auf einem Glassubstrat, nicht gezeigt), der so ausgelegt ist, dass nur die Anregungsstrahlung transmittiert wird und andere Wellenlängenanteile, z.B. Fluoreszenzlicht aus dem benachbarten Anregungsbereich, zurückgehalten wird. Außerdem können wiederum Befesti- gungslöcher 539 in der Platine 536 vorgesehen sein. Das Diamantelement 510 kann wie in der Figur beispielhaft dargestellt so klein sein, dass es im Wesentlichen in der Größenordnung des auftreffenden Anre- R.399771 gungsstrahls liegt, und insbesondere auch wesentlich kleiner als die darunterlie- gende Photodiode; es ist aber auch möglich, dass das angeordnete Diamantele- ment ein dünnes Diamantplättchen oder eine andere Ausformung umfasst. Dabei kann das gesamte Diamant-Element mit Stickstoff-Fehlstellen dotiert sein, oder alternativ kann auch nur ein als Messbereich genutzter Teil eines Diamantele- ments dotiert sein. Figur 5b zeigt die erste Photodiode 530 aus Figur 5a, die zur Detektion des Fluo- reszenzlichts vorgesehen ist, zusammen mit der darauf angeordneten Filter- schicht 534 und dem Diamanten 510 in einem vergrößerten Ausschnitt. Aus- schlaggebend ist dabei die Ausrichtung des Diamanten 510 in Bezug auf die Helmholtzspule bzw. das von der Helmholtzspule erzeugte statische Magnetfeld B0. Der Diamant 510 ist dabei so ausgerichtet, dass seine Kanten in der x-y- Ebene um einen Azimutwinkel ϕ gegenüber der Magnetfeldausrichtung gedreht sind. Dieser azimutale Drehwinkel ϕ des Diamanten kann etwa 17-35° betragen, vorzugsweise 26,6° gegenüber der Ausrichtung des statischen Magnetfelds. Die Platine mit Photodioden, Filterschicht und Diamantelement bildet damit die untere Schicht und kann mit den übrigen Schichten und/oder mit der Helmholtz- spulenanordnung verbunden werden, z.B. durch Verschrauben mit dem Spulen- halter. Zusätzlich zu den genannten Elementen kann die untere Schicht, wie in Figur 5c gezeigt ist, einen Rahmen 538 oder Abstandhalter umfassen, der auf der Platine 536 angebracht ist. Ein solcher Rahmen 538 kann einerseits genutzt werden, um zusammen mit den übrigen Schichten ein kompaktes Schichtelement zu bilden. Dabei kann durch die Dicke dieses Rahmens 538 der Abstand der unteren Schicht und damit des Diamanten 510 auf dem ersten Photodetektor zur den Ele- menten der mittleren und oberen Schicht, z.B. der Mikrowellenplatine, definiert werden. Darüber hinaus kann der Rahmen genutzt werden, um die Photodioden 530, 532 gegenüber der äußeren Umgebung und/oder untereinander abzuschat- ten, so dass unerwünschte Photosignale möglichst verhindert werden. Dabei kann für den gesamten Rahmen 538 und/oder für einen eingesetzten Steg zwi- schen den beiden Photodioden auch ein besonders stark absorbierendes Mate- R.399771 rial eingesetzt werden, wie etwa Aluminium. Der übrige Rahmen kann aus dem- selben Material gebildet werden oder kann beispielsweise wiederum aus einem Kunststoff 3D-gedruckt oder gespritzt werden. Die Photodiodenströme der ersten Photodiode 530 (Fluoreszenzsignal) und der zweiten Photodiode 532 (Referenzsignal) können dann auf geeignete Weise wei- terverarbeitet werden. Beispielsweise können diese Signale mit einer balancie- renden Detektorschaltung voneinander abgezogen werden. Auf diese Weise kann technisches Rauschen, d.h. Intensitätsschwankungen des Laserlichts, das zur Anregung der NV-Zentren verwendet wird, unterdrückt werden. Eine solche Schaltung kann unmittelbar auf der Platine 536, die das Substrat der unteren Schicht bildet, angeordnet werden, und von da an weitere Signalverarbeitungs- elemente auf der Platine oder an anderem Ort (z.B. außerhalb des eigentlichen Sensorkopfs) weitergeleitet werden. Ebenso ist es aber möglich, dass die Photo- diodenströme über geeignete Signalleitungen (z.B. Leiterbahnen auf der Platine und Anschlussstecker) direkt an Signalverarbeitungseinheiten in anderen Berei- chen oder außerhalb des Sensorkopfs weitergeleitet werden. Figuren 6a und 6b zeigen beispielhaft ein mittleres Schichtelement der geschich- teten Baugruppe für einen Sensorkopf, wobei Figur 6a eine Schrägansicht des mittleren Schichtelements zusammen mit dem darunterliegenden unteren Schichtelement (untere Platine 638 und unterer Abstandshalter 638) zeigt, und Figur 6b eine Draufsicht auf die Unterseite des mittleren Schichtelements zeigt. Dabei umfasst die mittlere Schicht ein Substrat 650 wie etwa eine Platine mit ho- her Dielektrizitätskonstante (z.B. ε ≈ 10), die zur Leitung des benötigten magneti- schen Wechselfelds (Mikrowellenfelds) am Ort des Diamanten dient. Die Ober- seite 650a der Platine kann im Wesentlichen aus einer Kupferschicht bestehen, die als Massepotential dient. Die Unterseite 650b der Platine 650 kann einen Mikrowellenresonator 656 umfassen, der in diesem Beispiel wie in Figur 6b dar- gestellt als Omega-Resonator ausgeführt ist. Das Mikrowellenfeld kann dann auf geeignete Weise, z.B. mit einem Koaxialkabel 654 und einem Hochfrequenzste- cker 652 übertragen und in die Mikrowellenplatine 650 eingespeist werden. Über einen Streifenleiter 658 auf der Platine kann die Mikrowelle dann kapazitiv an den Omega-Resonator 656 gekoppelt werden. Der hier beispielhaft dargestellte R.399771 Omega-Resonator ist ausgelegt auf eine Resonanzfrequenz von ca.2,87 GHz bei einer Resonanzbreite von etwa 30-50 MHz. Alternativ sind aber anstelle des gezeigten Omega-Resonators auch andere Re- sonatorstrukturen zur Erzeugung des Mikrowellenfelds im Messbereich möglich, insbesondere andere planare Mikrowellenresonatoren. Es versteht sich, dass die verschiedenen Bauteile und Schichten so angeordnet und ausgebildet werden, dass die jeweils wechselwirkenden Elemente relativ zu- einander in einer geeigneten Position sind, wie auch etwa der Figur 2b zu ent- nehmen ist. Beispielsweise sind in der hier gezeigten Mikrowellenplatine Durch- gangslöcher 653, 655 vorgesehen, um den Anregungslichtstrahl und den Refe- renzlichtstrahl aus der oberen Schicht jeweils zu den beiden Photodioden der un- teren Schicht gelangen zu lassen. Entsprechend kann dann abhängig von der Lage der Photodiode 630 und des Diamanten 610 auf der Photodiode 630 die Anordnung des Durchgangslochs 653 und der optischen Elemente gewählt wer- den, um die Strahlen korrekt zu positionieren. Weitere Durchgangslöcher sind als Befestigungslöcher 659 vorgesehen, so dass deren Position hier nur beispielhaft dargestellt ist. Figur 6c zeigt ausschnittsweise die Lage der drei Schichtelemente zueinander, insbesondere die Lage des Diamanten 610 auf der ersten Photodiode 630 relativ zu der Mikrowellenplatine 650 der mittleren Schicht und dem einfallenden Anre- gungslichtstrahl 620 aus der oberen Schicht. Damit das erzeugte magnetische Wechselfeld (Mikrowellenfeld) im Bereich des Diamanten möglichst homogen ist, kann die Mikrowellenplatine 620 relativ zu dem Messdiamanten 610 beispiels- weise so angeordnet werden, dass der Diamant 610 in die für das Anregungslicht vorgesehene Durchgangsöffnung 653 der Mikrowellenplatine hineinragt und der Mittelpunkt des Diamanten bzw. des Messbereichs im Diamanten 610 etwa auf Höhe der Unterseite 650b der Mikrowellenplatine, d.h. in der Ebene des planaren Resonators 656 zu liegen kommt. Die korrekte Ausrichtung kann durch definierte Anordnung der Bauteile auf jeder der Schichten und durch geeignete geometrische Auslegung der Schichten, z.B. R.399771 durch Ausnehmungen und/oder Vorsprünge in den jeweiligen Schichten, Ab- standshalter mit definierter Höhe zwischen zwei Schichten, Durchgangslöcher zur Verschraubung oder andere Elemente sichergestellt werden. Beispielsweise kann wie in Figur 6c gezeigt durch die Höhe des Abstandshalters bzw. Rahmens 638 der unteren Schicht die Lage des Diamanten 610 relativ zum Mikrowellenre- sonator eingestellt werden. Auch die Verbindung der Schichten untereinander kann beliebig gewählt werden, so dass die verschiedenen Schichten und der Spulenhalter beispielsweise einzeln verklebt, verschraubt, gesteckt oder anders verbunden werden können. Die Verbindung kann dauerhaft oder lösbar ausge- staltet sein. Es ist grundsätzlich auch möglich, mehrere hier einzeln beschrie- bene Teile als eine Einheit zu fertigen, z.B. einen Abstandshalter einer Schicht kombiniert mit dem Spulenhalter für die Helmholtz-Spule zu bilden. Ebenso kön- nen Teile im Voraus miteinander verbunden werden, bevor der gesamte Sensor- kopf zusammengefügt wird. Es versteht sich außerdem, dass ein geeigneter Sensorkopf weitere Halterungen, Gehäusebauteile oder ähnliches aufweisen kann, mit denen der Sensorkopf in einer Vorrichtung integriert sein kann. Es ist auch denkbar, dass sich neben den Stickstoffdefekten in Diamant auch an- dere Farbzentren oder andere Defekte in Kristallen als Magnetometer eignen., wie etwa verschiedene Defekte in Siliziumkarbid. In diesem Fall können die hier beschriebenen Parameter wie Wellenlänge, Empfindlichkeiten der Detektoren, Resonanzfrequenzen und andere an die entsprechenden Resonanzübergänge angepasst werden, während der grundsätzliche Aufbau des hier beschriebenen Sensorkopfs bestehen bleiben kann. Ein Magnetometer bzw. ein Sensorkopf für ein Magnetometer wie vorstehend be- schrieben kann in vielen Bereichen der Technik eingesetzt werden. Beispiels- weise kann über Magnetometer die Himmelsrichtung zur Navigation in Fahrzeu- gen oder elektronischen Geräten (z.B. Smartphone) bestimmt werden. Darüber hinaus können hochgenaue Magnetfeldsensoren zur Ortung von metallischen oder magnetischen Gegenständen genutzt werden. Außerdem bieten NV- Zentren-Magnetometer wie die hier beschriebene Vorrichtung eine ausreichende Empfindlichkeit, um Magnetfelder zu erfassen, die durch Ströme im menschli- R.399771 chen Körper entstehen, so dass auf diese Weise z.B. Gehirnströme, Nerven- ströme und ähnliche Parameter erfasst und ausgewertet werden können. Solche Messungen können dann beispielsweise zur Bildung von Mensch-Maschine- Schnittstellen, z.B. in der Neurorehabilitation, oder allgemein zur Erfassung ver- schiedener gesundheitlicher Zustände genutzt werden. Die kompakte Bauweise ermöglicht beispielsweise die Verwendung von einem oder mehreren Sensorköpfen in handgehaltenen Geräten, z.B. Magnetsuchge- räte zum Aufspüren von Leitungen und/oder magnetischen Gegenständen in der Wand und im Boden. Für beliebige Lab-on-the-Chip-Systeme, welche die Mes- sung eines Magnetfelds erforderlich machen, können diese Sensorköpfe ebenso genutzt werden. Magnetische Sensoren allgemein werden in vielen Bereichen der Technik genutzt, z.B. bei der Überwachung des Batteriestroms von Elektro- fahrzeugen oder zur Lokalisierung in der Robotik bzw. für autonome Fahrzeuge. Hier lassen sich mit Hilfe hochempfindlicher Magnetometer genaue und absolute Positionierungen realisieren. Gegenüber den bisher bekannten Lösungen bietet das hier vorgeschlagene Sensorprinzip darüber hinaus eine galvanisch getrennte Sensorlösung mit hohem Dynamikbereich und sehr hoher Empfindlichkeit. Es versteht sich, dass die Angaben „unterer“ und „oberer“ Schichten bzw. Ober- flächen nur auf die dargestellten Skizzen des Ausführungsbeispiels bezogen sind und zur Erläuterung dienen; selbstverständlich kann ein Sensorkopf unabhängig davon auch z.B. in umgekehrter Reihenfolge aufgebaut sein oder in einer Vor- richtung in beliebiger Ausrichtung eingebaut sein. Ebenso können alle Teile wie Abstandshalter, Platinen, Rahmen und andere auch aus anderen als den hier an- gegebenen Materialien und mit anderen Techniken gefertigt werden, solange der jeweilige Zweck erfüllt wird. Weitere Elemente wie optische Elemente, elektroni- sche Bauteile oder Signalverarbeitungseinheiten können zusätzlich ergänzt wer- den, auch wenn sie hier nicht ausdrücklich gezeigt oder genannt wurden.

Claims

R.399771 Ansprüche 1. Sensorkopf (200, 400) zur Erfassung eines Magnetfelds, umfassend: eine geschichtete Baugruppe mit einem ersten Schichtelement, einem zwei- ten Schichtelement und einem dritten Schichtelement, wobei das erste Schichtelement ein oder mehrere optische Elemente (222, 224, 322, 324) zum Bereitstellen mindestens eines Anregungsstrahls (120, 220, 420, 520, 620) von einer Lichtquelle umfasst, wobei das zweite Schichtelement eine Einrichtung (250) zum Erzeugen oder Übertragen eines resonanten Mikrowellenfelds umfasst, wobei der Sensorkopf mindestens einen Sensorkristall (110, 210, 510, 610) umfasst, wobei der Sensorkristall (110, 210, 510, 610) mindestens einen Be- reich umfasst, in dem spinabhängig anregbare Farbzentren vorhanden sind; wobei das dritte Schichtelement mindestens einen ersten Photodetektor (130, 230, 530, 630) zum Erfassen von Fluoreszenzlicht aus dem Sensor- kristall (110, 210, 510, 610) umfasst, wobei das erste Schichtelement, das zweite Schichtelement, das dritte Schichtelement und der Sensorkristall so ausgebildet und relativ zueinander angeordnet sind, dass der Anregungsstrahl (220, 420, 520, 620) auf den Sensorkristall (110, 210, 510, 610) gerichtet ist und das Mikrowellenfeld min- destens im Bereich des Sensorkristalls erzeugt wird; und wobei die Vorrichtung weiter eine Spulenanordnung (242, 244, 246) zur Erzeugung eines statischen homogenen Magnetfelds (240) mindestens im Bereich des Sensorkristalls (110, 210, 510, 610) umfasst, wobei die Spu- lenanordnung (242, 244, 246) und der Sensorkristall (110, 210, 510, 610) in Bezug aufeinander so ausgerichtet sind, dass das erzeugte statische homo- gene Magnetfeld (240) in einem azimutalen Winkel und in einem polaren Winkel relativ zu den Kanten der Auflagefläche des Sensorkristalls ausge- richtet ist. 2. Sensorkopf nach Anspruch 1, wobei der Sensorkristall in dem zweiten oder dem dritten Schichtelement angebracht ist. R.399771 3. Sensorkopf nach Anspruch 1 oder 2, wobei der polare Winkel zwischen 6° und 18°, bevorzugt bei 12,6° liegt, und wobei der azimutale Winkel zwischen 17°und 35°, bevorzugt bei 26,6° liegt, und wobei die die Auflagefläche des Diamanten einer {100} Ebene entspricht. 4. Sensorkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sensorkristall (110, 210, 510, 610) ein Diamantelement umfasst, wobei die spinabhängig anregbaren Farbzentren Stickstoff-Fehlstellen-Zentren umfassen. 5. Sensorkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spulena- nordnung eine Helmholtzspule mit mindestens einem Spulenpaar (244a, 244b, 246a, 246b) umfasst, wobei die geschichtete Baugruppe zumindest teilweise durch den wicklungsfreien Bereich jeder Spule eines Spulenpaars so hindurchgeführt ist, dass zumindest der Sensorkristall (110, 210, 510, 610) jeweils zwischen den Spulen eines Spulenpaars angeordnet ist. 6. Sensorkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Schichtelement ein strahlteilendes optisches Element (224, 324) umfasst, welches dazu eingerichtet ist, einen einfallenden Lichtstrahl in einen Anre- gungsstrahl und einen Referenzstrahl aufzuteilen. 7. Sensorkopf nach Anspruch 6, wobei ein zweiter Photodetektor (132, 232, 532) in dem dritten Schichtelement zum Erfassen des Referenzstrahls ange- ordnet ist. 8. Sensorkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf dem ers- ten Photodetektor (130, 230, 530, 630) zumindest ein optisches Filterele- ment (234, 534, 634) aufgebracht ist, welches Licht außerhalb des Wellen- längenbereichs des Fluoreszenzlichts filtert, und wobei der Sensorkristall (110, 210, 510, 610) auf dem optischen Filterelement so angebracht ist, dass der optische Übergang zwischen dem Filterelement und dem Diamanten so angepasst ist, dass die Differenz des optischen Indexes verringert wird. R.399771 9. Sensorkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Schichtelement einen planaren Mikrowellenresonator (656) umfasst, der zum Einkoppeln eines Mikrowellenfelds eingerichtet ist und auf eine Spinreso- nanz der Farbzentren des Sensorkristalls (110, 210, 510, 610) gestimmt ist. 10. Sensorkopf nach Anspruch 9, wobei das zweite Schichtelement (650) mit mindestens einem Durchgangsloch (653) versehen ist, durch welches der Anregungsstrahl auf den Sensorkristall (110, 210, 510, 610) des dritten Schichtelements eingestrahlt werden kann, wobei der Sensorkristall (110, 210, 510, 610) so angeordnet ist, dass er zumindest teilweise in das Durch- gangsloch (653) hineinragt und im Wesentlichen in der Ebene des planaren Mikrowellenresonators (656) liegt. 11. System zum Messen eines Magnetfelds, umfassend einen Sensorkopf (100, 200, 400) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che; eine Lichtquelle (421) zum Bereitstellen des Anregungslichtstrahls; und mindestens eine Signalverarbeitungseinheit (160, 170), die dazu eingerichtet ist, auf Basis des Fluoreszenzsignals, welches von dem ersten Photodetek- tor erfasst wird, eine magnetische Feldstärke zu bestimmen. 12. System nach Anspruch 11, wobei zumindest ein Teil der Signalverarbei- tungseinheit mit dem Sensorkopf integriert ausgebildet ist
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