弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(Fraunhofer IAF)在激光阈值磁强计(LTM)方向的开发中取得了里程碑式的成果,,首次测量了磁场相关受激发射。。。。该研究表明LTM背后的原理有望用于医疗健康和疾病检测领域的高灵敏磁场传感器。。。。
Fraunhofer IAF项目经理Jan Jeske表示:“我们的目标是开发一种极其灵敏的磁场传感器,,,并能够在室温以及存在背景场的情况下工作,,,,因此对临床应用非常有实际意义。。。。”
这项突破源自2018年成立的DiLaMag项目,,,,该项目旨在研究对生物医学和临床任务足够灵敏且更经济、、、更易于部署的磁传感器,,,因为现有平台通常需要对传感器本身进行极端冷却。。。
DiLaMag研究项目的目标是使用含有高度氮空位(NV)中心的金刚石作为激光介质。。。。已知NV中心吸收绿光,,,然后以较低能量发射红光,,,其亮度受外部磁场强度的影响。。由于NV中心非常小,,,,理论上这种效应能够以高空间分辨率和灵敏度检测磁场。。。
当Jeske和Fraunhofer IAF启动该项目时,,,他们预测LTM或能实现灵敏度相比现有NV研究高出两到三个数量级的磁强计,,并可与最先进的SQUID(超导量子干涉装置)磁强计相媲美。。。据Fraunhofer IAF称,,新的研究结果首次证明了磁场相关的受激发射。。。。
该项目使用NV金刚石作为激光介质,,,通过受激发射实现了64%的信号放大。。据称,,与磁场相关的发射展示了33%的对比度和mW范围的最大输出功率,,这是“NV系统磁强计的对比度新记录”。。。
该项目还记录了在NV金刚石中观察到的非常相关且过去未知的物理过程,,即绿色激光照射引起的红光吸收。。。
Jeske说:“受激发射是造成这种情况的原因,,,,我们能够证明自发发射无法实现这一纪录。。因此,,,,我们首次通过实验证明了激光阈值磁强计的理论原理。。。。”
制造具有适当高密度NV中心和所需光学特性的金刚石本身就是一个挑战。。DiLaMag项目研究了通过化学气相沉积和后处理(电子辐照以及温度处理)生产金刚石,,,以提高NV密度。。
该项目利用吸收光谱监测金刚石生产过程中NV中心的形成,,,,建立NV密度、、、取代氮转化(利用高通量辐照)和电荷稳定性之间的相关性。。
Fraunhofer IAF的研究结果证实,,可以利用这种高密度NV中心和高质量CVD金刚石生产技术,,,,这是开发测量极小磁场的金刚石激光阈值磁强计的先决条件。。。
该项目在论文中评论道:“NV中心的相干读出为量子缺陷和金刚石NV磁场传感器的新型腔和激光应用铺平了道路,,大大提高了医疗、、、科研和采矿领域应用的灵敏度。。”