基于缺陷中心的传感器制造技术

公开了一种基于缺陷中心的传感器。所述传感器包括：仪器，所述仪器包括发生器(18)，所述发生器用于在有源元件例如金刚石中引起激发；和检测器(20)，所述检测器用于测量所述有源元件中的跃迁。所述发生器是光源和/或所述检测器是光检测器。所述传感器还包括光波导(16)和传感器头(12)，所述传感器头经由所述光波导与所述源和/或所述检测器通信。所述传感器头容纳有：具有至少一个响应于施加的磁场、电场或温度的缺陷中心(1；图2)例如氮空位的所述有源元件(13)；和信号递送布置结构(15)，例如至少一个透镜，所述信号递送布置结构被布置成将所述光波导光耦合到所述有源元件。述光波导光耦合到所述有源元件。述光波导光耦合到所述有源元件。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于缺陷中心的传感器


[0001]本专利技术涉及一种基于缺陷中心的传感器，诸如磁力计、静电计或温度计，特别是可用作磁力计的金刚石传感器中的氮空位中心。

技术介绍

[0002]利用金刚石中的氮空位(NV)缺陷的磁力计可以用作检测弱磁场的传感器。在许多应用中，期望有一种远程的、可移动的传感器头和单独的仪器。传感器和仪器可以经由光纤或通过自由空间连接。已经证明了基于光纤耦合的NV金刚石的磁力计具有高达30nT/√Hz的灵敏度，而自由空间型式已实现了d.c.场的15pT/√Hz和a.c.场的0.9pT/√Hz的灵敏度。
[0003]L.Rondin等人的《利用金刚石中的氮空位缺陷的磁力测定(Magnetometry with nitrogen
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vacancy defects in diamond)》,《物理进展报告(Reports on Progress in Physics)》,第88卷,第056503页(2014)对使用金刚石中的氮空位缺陷进行磁力测定进行了综述。
[0004]参考S.M.Blakley等人：《通过对金刚石中的氮空位中心中的磁共振的时空差分光学检测进行光纤矢量磁场梯度测量(Fiber
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optic vectorial magnetic
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field gradiometry by a spatiotemporal differential optical detection of magnetic resonance in nitrogen
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vacancy centers in diamond)》,《光学快报(Optics Letters)》,第41卷,第2057至2060页(2016)；J.F.Barry等人：《使用金刚石中的量子缺陷对单神经元动作电位进行光学磁检测(Optical magnetic detection of single
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neuron action potentials using quantum defects in diamond)》,《美国国家科学院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)》,第113卷,第14133至14138页(2016)；以及T.Wolf等人：《Subpicotesla金刚石磁力测定(Subpicotesla Diamond Magnetometry)》,《物理评论X(Physical Review X)》,第5卷,第041001页(2015)。

技术实现思路

[0005]根据本专利技术的第一方面，提供了一种传感器，所述传感器包括仪器，所述仪器包括：发生器，所述发生器用于在有源元件(例如，金刚石)中引起激发(诸如光激发)；和检测器，所述检测器用于测量所述有源元件中的跃迁(诸如荧光)。所述发生器是光源(诸如二极管激光器形式的激光器)和/或所述检测器是光检测器(诸如二极管光检测器)。所述传感器还包括光波导(诸如光纤)和传感器头，所述传感器头经由所述光波导与所述源和/或所述检测器通信。所述传感器头容纳有：具有至少一个缺陷中心(诸如氮空位)的所述有源元件；和信号递送布置结构(诸如一个或多个透镜)，所述信号递送布置结构被布置成将所述光波导光耦合到所述有源元件。
[0006]所述至少一个缺陷中心可以响应于施加的磁场、电场和/或温度。因此，所述传感器可以用作磁力计、静电计和/或温度计。
[0007]所述传感器可以被布置成激发和测量多个缺陷中心，即缺陷中心的系综。
[0008]所述传感器头可以是移动的或固定的。所述传感器头可以远离所述仪器(例如，间隔至少1m、至少10m或至少1km)。
[0009]优选地，所述源和所述检测器都是光学的，即，所述源是光源并且所述检测器是光检测器。
[0010]磁力计可以使用光波导和自由空间传输光。对激发和收集两者使用相同的信号递送系统(例如，一组透镜)可以提供较高的激发强度和/或可以允许使用较小的有源元件，这进而可以提高空间分辨率以及减少所需的金刚石材料的量。信号递送系统还可以帮助将荧光耦合到光波导中，因而提高灵敏度。尽管对两者使用相同的信号递送系统，但该布置结构在检测信号时可以实现相对于激发的数值孔径更高的数值孔径，从而允许激发更大的体积同时维持良好的收集效率。
[0011]信号递送布置结构优选地包括至少一个透镜，并且更优选地包括两个或更多个透镜。透镜可以是透射透镜(这种类型的透镜通俗地简称为“透镜”)、反射镜透镜或光栅透镜。如果使用多于一个的透镜，则这些透镜可以都是相同类型的或者可以是两种或更多种不同类型的透镜的混合。
[0012]可以省略信号递送布置结构，即，光波导可以直接耦合到有源元件。可以使用光学透明粘合剂。
[0013]所述至少一个透镜可以包括至少两个透镜，所述至少两个透镜包括：第一透镜，所述第一透镜用于准直来自所述光波导的光；和第二透镜，所述第二透镜用于将光聚焦到所述有源元件上。
[0014]所述有源元件可以具有被布置成从所述至少一个透镜和其他表面接收光的表面，所述其他表面中的至少一些表面设置有用于回射未被吸收的光的反射结构。所述表面可以设置有围绕所述表面的外周边缘的反射结构以限定中心窗口。所述反射结构包括涂层。所述涂层可以包括金属涂层。所述涂层可以包括一层、两层、三层或更多层。所述涂层可以包括钛层。所述涂层可以包括银层。所述涂层可以包括金层。所述反射结构包括光栅。
[0015]所述传感器还可以包括固体浸没透镜，所述固体浸没透镜与所述有源元件直接接触或与所述有源元件形成为单件，所述固体浸没透镜被布置成将来自所述至少一个透镜的光耦合到所述有源元件中。
[0016]所述光波导可以是光纤。所述光纤可以是空心光纤。
[0017]所述传感器还可以包括微波源，所述微波源被布置成激发所述有源元件。如果传感器头远离仪器定位，则微波源可以就地提供给传感器头。微波源可以由本地电源或由远程电源供电。微波源可以远离传感器头，其中使用微波线缆将微波激发送至有源元件。
[0018]所述传感器还可以包括锁定放大器，所述锁定放大器被布置成从所述光检测器接收信号。这可以用于连续波测量。
[0019]所述传感器可以被配置成以脉冲模式操作来运行。
[0020]根据本专利技术的第二方面，提供了一种基于缺陷中心的传感器成像系统。所述系统包括：仪器，所述仪器包括至少一个发生器和至少一个检测器，所述至少一个发生器用于在有源元件中引起激发，所述至少一个检测器用于测量所述有源元件中的跃迁，其中所述至少一个发生器是光源和/或所述至少一个检测器是光检测器；至少一个光波导；和传感器
头，所述传感器头经由所述光波导与所述源和/或所述检测器通信。所述传感器头容纳有：有源元件阵列或有源元件中具有至少一个响应于施加的磁场的缺陷中心的区域的阵列；和至少一个信号递送本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种基于缺陷中心的传感器，包括：仪器，所述仪器包括：发生器，所述发生器用于在有源元件中引起激发；以及检测器，所述检测器用于测量所述有源元件中的跃迁，其中所述发生器是光源和/或所述检测器是光检测器；光波导；以及传感器头，所述传感器头经由所述光波导与所述源和/或所述检测器通信，所述传感器头容纳有：具有至少一个缺陷中心的所述有源元件；以及信号递送布置结构，所述信号递送布置结构被布置成将所述光波导光耦合到所述有源元件。2.如权利要求1所述的传感器，其中所述源是光源并且所述检测器是光检测器。3.如权利要求1或2所述的传感器，其中所述信号递送布置结构包括至少一个透镜。4.如权利要求3所述的传感器，其中所述至少一个透镜包括一个或多个透射透镜。5.如权利要求3或4所述的传感器，其中所述至少一个透镜包括一个或多个反射镜透镜。6.如权利要求3至5中任一项所述的传感器，其中所述至少一个透镜包括一个或多个光栅透镜。7.如权利要求3至6中任一项所述的传感器，其中所述至少一个透镜包括至少两个透镜，所述至少两个透镜包括：第一透镜，所述第一透镜用于准直来自所述光波导的光；和第二透镜，所述第二透镜用于将光聚焦到所述有源元件上。8.如权利要求1至7中任一项所述的传感器，其中所述有源元件具有被布置成从所述至少一个透镜和其他表面接收光的表面，所述其他表面中的至少一些表面设置有用于回射未被吸收的光的反射结构。9.如权利要求8所述的传感器，其中所述表面设置有围绕所述表面的外周边缘的反射结构以限定中心窗口。10.如权利要求8或9所述的传感器，其中所述反射结构包括涂层。11.如权利要求10所述的传感器，其中所述涂层是金属涂层。12.如权利要求8至11中任一项所述的传感器，其中所述反射结构包括光栅。13.如权利要求1至12中任一项所述的传感器，还包括：固体浸没透镜，所述固体浸没透镜与所述有源元件直接接触或与所述有源元件形成为单件，所述固体浸没透镜被布置成将来自所述至少一个透镜的光耦合到所述有源元件中。14.如权利要求1至13中任一项所述的传感器，其中所述光波导是光纤。15.如权利要求14所述的传感器，其中所述光纤是空心光纤。16.如权利要求1至15中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：安吉洛，
申请(专利权)人：华威大学，
类型：发明
国别省市：