Интегральный оптоволоконный квантовый сенсор с каналом доставки СВЧ-излучения для термо- и магнитометрии

Предлагаемое техническое решение относится к волоконно-оптическим сенсорным устройствам для измерения магнитных полей и температуры в эндоскопическом режиме.
Одним из перспективных направлений в этой области является использование квантовых методик и элементов, в частности, микро- и наночастиц алмаза с азото-замещенными вакансиями (NV-центрами). Отрицательно заряженные NV-центры обладают высокой фотостабильностью, сильными оптическими переходами и являются уникальной квантовой системой с возможностями управления электронным спиновым состоянием NV-центра с помощью микроволнового излучения, и, что очень важно, позволяют реализовать оптическую инициализацию этих состояний при комнатной температуре. Эти объекты рассматриваются в качестве одного из кандидатов для практической реализации различных устройств квантовой оптики и информатики. На основе процесса оптического возбуждения и детектирования электронного спинового резонанса предложены устройства и методики, позволяющие оптическими методами локально измерять магнитное поле, давление и температуру (Т. Plakhotnik, et al. Nano Lett., 2014, 14, p 4989 (2014)).
В заявке PCT WO 2009073736 Al ("Spin based magnetometer" M. Lukin, R.L. Walsworth), рассматривается реализация при комнатной температуре высокочувствительного магнитометра с использованием твердотельной электронной спиновой системы, в качестве которой выступают NV-центры в частицах алмаза. По-существу, физическая возможность регистрации магнитного поля связана с эффективной поляризацией спиновых состояний электрона NV-центра в присутствии внешнего магнитного поля в условиях электронного парамагнитного (спинового) резонанса. При наличии модулирующего СВЧ-поля в области парамагнитного резонанса спиновые состояния электронов могут прецессировать вокруг детектируемого магнитного поля, при этом величина спиновой прецессии линейно связано с зеемановским расщеплением энергетических уровней спинового состояния. Спиновые электронные состояния возможно детектировать оптическими методами, измеряя интенсивность флуоресценции, которая чувствительна к зеемановскому расщеплению уровней в условиях спинового резонанса и соответственно к измеряемому магнитному полю.
В заявке на патент «Nanometer scale quantum thermometer)) WO 2014165505 Al, описаны основные механизмы и параметры оптического метода измерения температуры с помощью наночастиц алмаза с NV-центрами. Этот метод основан на использовании температурной зависимости поляризации (возбуждения) электронного спинового резонанса NV-центров в микро и наночастицах алмаза. Лазерное излучение накачки поляризует (возбуждает) основное триплетное состояние центров окраски (NV-центров), внедренных с нано- и микрочастицы алмаза. Оптическая регистрация излучения происходит за счет детектирования флуоресценции из возбужденного состояния, которая чувствительна к спиновому состоянию основного триплетного электронного состояния NV-центров, для модуляции которого используется микроволновое излучение (или импульсы). Авторы патента указывают, что измерения могут осуществляться как с широким диапазонами чувствительностью от 10 K/Гц до 50 мкК/Гц, так и значительном диапазоне температур от 100 K до 600 K. Идея использования частиц алмаза для комплексного измерения широкого набора параметров (температуры, напряженности магнитного поля, давления) с высоким пространственным разрешением изложена в патенте "Wide-field imaging using nitrogen vacancies" US 20150001422 A1. К недостаткам данных заявок можно отнести, что здесь указаны общие принципы регистрации физических величин (температуры, магнитного поля), но не представлены конструктивные решения для проведения измерений в эндоскопическом режиме.
К настоящему моменту на основе этих принципов было продемонстрировано несколько методик с использованием нанокристаллов алмаза с одиночными NV-центрами для измерения сверхслабых магнитных полей (до пикоТесла) и со сверхвысоким (до десятков нм) пространственным разрешением (J.M. Taylor, et al. "High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscale resolution". Nat. Phys. 4, 810-816 (2008); J.R. Maze, et al. "Nanoscale magnetic sensing with an individual electronic spin in diamond". Nature 455, 644-647 (2008); G. Balasubramanian, et al. "Nanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient conditions". Nature 455, 648-651 (2008)). В работе (Hall, L.T. et al. "High spatial and temporal resolution wide-field imaging of neuron activity using quantum NV-diamond". Scientific Reports, 2, 401 (2012)) был продемонстрирован эффективный метод измерения локальных магнитных полей с использованием наноалмазов с NV-центрами в биологических объектах. Несмотря на высокую чувствительность продемонстрированных методик и их большой потенциал, они пока не получили заметного распространения в прикладных задачах. Общим недостатком указанных технического решения является необходимость проведения измерений в окружении громоздкого, чувствительного и сложного оборудования, содержащего системы конфокальной микроскопии и распределенные излучатели гигагерцового (СВЧ) излучения. Кроме того, частицы алмаза, импрегнированные в объект и обеспечивающие высокую точность и локальность диагностики, могут нарушить функциональные свойства объекта, а также являются, по-существу расходным материалом, что принципиально повышает стоимость проводимых измерений.
Сопряжение уникальных физических свойств отрицательно заряженных NV-центров в алмазе с волоконно-оптическими и СВЧ технологиями могло бы позволить расширить их научный и технологический потенциал для целей измерения различных физических параметров. При этом идея использования световодов, совмещенных с различными типами миниатюрных сенсоров, для реализации процедуры оптических измерений в эндоскопическом режиме также активно развивается. В патентной заявке US 4245507 в общем виде описаны элементы эндоскопа с использованием оптического световода с закрепленным на его конце термочувствительными флуоресцентными частицами. Измерение происходит за счет изменения флуоресценции частиц чувствительных к температуре. Однако подобные флуоресцирующие частицы обладают достаточно низкой точностью и ограниченным диапазоном измерения температуры. Волоконные сенсоры для измерения магнитных полей на основе оптических методов возбуждения и регистрации флуоресценции микрочастиц алмаза с отрицательно заряженными NV-центрами в модулирующем СВЧ-поле были представлены в нескольких патентных заявках, например, US 20110062957 или CN 102193074.
В качестве аналога рассмотрим патент CN 102193074 В, в котором описан прибор для измерения магнитных полей, содержащий источник лазерного излучения, источник СВЧ-излучения, комбинированное оптическое волокно, монокристаллическую алмазную частицу с единичным NV-центром, линию передачи СВЧ-излучения, спектрометр. Комбинированный оптический световод состоит из двух оптических волокон, между торцами которых расположена монокристаллическая алмазная частица с одиночным NV-центром, одно из волокон служит для передачи возбуждающего лазерного излучения, а второе служит для сбора флуоресцетного сигнала и доставки его в спектрометр. К недостаткам представленного решения можно отнести, что конфигурация подобного комбинированного оптического световода, состоящего из двух направленных в разные стороны частей, ограничивает применение сенсорного устройства в качестве зонда в эндоскопическом режиме. Проводник СВЧ-поля не интегрирован с оптическим волноводом, что делает неудобным его эксплуатацию. Кроме того, в патенте принципиально указывается на использование частицы с одиночным NV-центром. Использование стандартных оптических свтоводов, доставляющими излучение накачки к частице с одиночным NV-центром, делает такую систему практически нереализуемой из-за фундаментальных физических ограничений - слабый сигнал флуоресценции от одиночного NV-центра, не может быть измерен на фоне зашумляющего комбинационного (рамановского) сигнала рассеяния в материале волокна.
В работах авторов вносимого изобретения (заявка на патент RU 2015107331; Scientific reports 4, 5362 (2014); Optics Letters 40, 3727 (2015); Scientific reports 5, 15737 (2015); Nature Communication 8, 15362 (2017), и др.) используется подход, связанный с совмещением оптического световода с квантовым сенсором (микрочастицей алмаза с отрицательно заряженными NV-центрами), помещаемый на торец оптического световода. В перечисленных работах был развит метод измерения либо слабых магнитных полей, либо температуры с помощью оптического зонда, совмещенного с СВЧ-линией. Основными компонентами, реализованного зонда является: источник лазерного излучения; источник СВЧ-излучения; оптическая система регистрации; алмазная частица с отрицательно заряженными NV-центрами; оптический световод, передающий возбуждающее лазерное излучение к частице алмаза и детектируемое излучение флуоресценции в направлении к оптической системе регистрации; линия передачи модулирующего СВЧ-поля, размещаемая на оболочке оптического волокна, и выполненную в виде двухпроводного канала, интегрированного с оболочкой оптического световода и изогнутого в форме незамкнутого кольца вокруг торца оптического световода, на котором закреплена алмазная микрочастица с NV-центрами.
Технической задачей предлагаемого технического решения является создание компактного интегрального оптоволоконного квантового сенсора с каналом доставки СВЧ-излучения, позволяющего обеспечить измерения температуры и магнитного поля с высоким пространственным разрешением и высокой точностью.
16
-3
Рассмотрим более подробно принципы работы квантового сенсора, а также технику измерений температуры и магнитного поля с помощью оптического/СВЧ зонда с интегрированным квантовым сенсором (Фиг. 1). В качестве квантовых сенсоров использовались коммерчески доступные искусственные монокристаллы алмаза с центрами окраски (отрицательно заряженными NV-центрами). Центры окраски образовывались в процессе облучения микрокристаллов алмаза высокоэнергетичными (МэВ) электронами с последующим высокотемпературным отжигом. В результате данного технологического процесса достигалась плотность NV-центров порядка 10 см. Для демонстрационных экспериментов были использованы монокристаллы алмаза (1) с диаметрами от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров (см. также Фиг. 3а), которые с помощью механического манипулятора и оптического микроскопа позиционировались на торце оптического волокна (2) с числовой апертурой NA=0.2 в области его световодной сердцевины и далее фиксировались с помощью этилцианокрылатного клея. Микроволновое поле доставляется к микрокристаллу алмаза через двухпроволочную СВЧ-линию (3), состоящую из двух медных проволочек диаметром 50 мкм и сопряженную с оптическим волокном (2). Проволочка загибается в виде круглой петли вокруг торца оптического волокна, что обеспечивает максимум распределения микроволнового поля в месте нахождения алмазной микрочастицы (1) (см. также Фиг. 3(1)). Оптическое возбуждение NV-центров в микрочастице алмаза обеспечивается излучением на длине волны 532 нм, генерируемым лазерным источником (4), в качестве которого использовалось излучение второй гармоники непрерывного Nd:YAG лазера мощностью от 1 до 50 мВт. Это излучение фокусируется с помощью микрообъектива (5) и заводится в сердцевину волокна диаметром 200 мкм (2) и далее доставляется по его световодной сердцевине к алмазной микрочастице, закрепленной на торце волокна. Фотолюменесценция, излученная NV-центрами в спектральной полосе 630-800 нм, собирается тем же самым оптическим волокном (2) и передается в направлении "назад" через дихроичное зеркало (6) к системе регистрации, состоящей из кремниевого фотодиода (7), низкошумящего предусилителя (8) и синхронного усилителя (9). Микроволновое поле генерируется компактным генератором (10), который позволяет сканировать СВЧ поле вблизи магнитного (спинового) резонанса основного состояния NV-центров в микрочастице алмаза. Для повышения чувствительности измерений используется методика синхронного детектирования, реализуемая за счет модуляции генерируемого микроволнового поля реперной частотой, которая задается аналогово-цифровым преобразователем (11), управляется с помощью компьютера (12) и является опорной частотой при синхронной регистрации и анализе сигнала флуоресценции.
PL
s
s
s
s
s
s
s
s
PL
s
s
s
s
s
3
3
3
3
3
1
Основы физического принципа работы квантового сенсора заключается в возможности оптической регистрации изменения интенсивности флуоресценции, возбуждаемой лазерным излучением накачки. Интенсивность флуоресценции I зависит от состояния основного уровня отрицательного NV-центра в алмазе, которое изменяется при сканировании частоты микроволнового СВЧ-поля в области магнитного (спинового) резонанса (Фиг. 2). Лазерное излучение накачки переводит основное состояние А NV-центра в возбужденное состояние Е. Возбуждение этого состояния снимается обратно на основной уровень А с магнитным (спиновым) квантовым числом m=0 в виде излучения флуоресценции, что проявляется Ω в виде характерной "бесфоннонной" линии на длине волны 637 нм при комнатной температуре). Однако, из-за уширения верхних уровней, обусловленного взаимодействием с кристаллической решеткой, флуоресценция излучается в широкой полосе длин волн, простирающейся от 630 нм до 800 нм (при этом пик "бесфоннонной" линии обычно бывает легко различим на фоне этой полосы). В отсутствии внешнего магнитного поля основное триплетное состояние NV-центра с магнитными (спиновыми) квантовыми числами m=0,±1 расщеплено на величину Ω=2.87 ГГц (Фиг. 2). Для NV-центров, возбуждаемых из состояния m=±l, выход излучения флуоресценции меньше, чем в случае возбуждения из состояния с m=0. Это происходит из-за того, что в первом случае (возбуждение из состояния с m=±1) релаксация из Е в состояние А с m=0 происходит через метастабильный уровень А (Фиг. 2), которое не дает вклад фотолюминсценцию. Таким образом, интенсивность фотолюминесценции I уменьшается в случае, если система возбуждается из состояния с m=±1. Этим процессом можно управлять за счет приложения и модуляции микроволнового излучения, подаваемого через интегрированную с оптическим волокном СВЧ линию. Микроволновое поле сканируется в области частоты магнитного резонанса Ω=2.87 ГГц, которое поляризует (возбуждает) основной триплетный уровень NV-центров из состояния с m=0 в состояние с m=±1. Этот эффект наблюдается в виде хорошо наблюдаемого изменения интенсивности фотолюминесценции (может регистрироваться как провал, так и как пик в зависимости от метода измерения) зависимости от частоты модулирующего микроволнового поля. Даже в отсутствии внешнего магнитного поля локальное напряжение решетки алмаза приводит к снятию вырождения состояния m=±1, что проявляется в наличии двух хорошо заметных пиков (Фиг. 2). Присутствие внешнего магнитного поля приводит к сильному изменению формы резонансной кривой и появлению нескольких пиков, и на этом эффекте основан принцип работы детектора магнитного поля. Изменение температуры измеряемых объектов и соответственно микрочастицы алмаза приводит не к изменению формы, а к сдвигу резонансной кривой. При этом при возрастании температуры профиль сдвигается в сторону меньших частот, что происходит из-за температурного изменения состояния решетки алмаза. Указанные физические принципы обеспечивает возможность проведения оптических измерений магнитного поля и температуры с помощью оптического световода, совмещенного с СВЧ-линией и квантового сенсора на основе отрицательных NV-центров в микро- и наночастицах алмаза.
Однако, до сих пор проведение измерений магнитного поля и температуры осуществлялось раздельно друг от друга. Кроме того, имеются ограничения в процедуре измерений в связи технологией изготовления СВЧ-линии, что соответственно снижает функциональность используемого зонда. При изготовлении зонда использовалась СВЧ-линия с двумя медными цилиндрическими проводниками, закрепляемыми вдоль оптического волокна и изгибаемого на его конце для концентрации магнитного поля в области нахождения микрочастицы алмаза. Этот подход был использован в упомянутых ранее наших работах. Изготовление проволочных двухпроводных линий требует высококвалифицированного ручного труда с естественными ограничениями на однородность изготовляемого продукта. Возможность миниатюризации зонда существенно ограничена размерами 300-400 мкм, так как для их изготовления применялись волокна диаметром от 250 мкм и проволока толщиной 50-100 мкм.
Создание более компактного оптомикроволноводного интерфейса крайне актуально, так как позволит существенно расширить экспериментальные возможности алмазной фотоники, измерения магнитного поля в труднодоступных областях, волоконных методов измерения температуры и, в частности, создать полезный инструмент для нейрофотоники. В задачу настоящего изобретения входит реализация универсального устройства, совмещающего возможность измерения температуры и магнитного поля в эндоскопическом режиме с высоким пространственным разрешением на основе оптического световода с интегрированным каналом доставки СВЧ-излучения с алмазными микрочастицами (с одной или несколькими) с отрицательно заряженными NV-центрами на его торце. Для развития технологии оптомикроволноводного зондирования необходима оптимизация параметров, как самих оптических волокон, так и системы доставки СВЧ-излучения, что напрямую приведет к технологичности и миниатюризации зонда, улучшения степени локализации оптического и СВЧ-полей на алмазной частице, определяющей чувствительность зонда и его степень его воздействия на измеряемую систему. Также, задача изготовления зонда является существенной самой по себе, так как требует поиска технологии формирования проводящей СВЧ-линии на оптическом волокне существенной длины.
Техническим результатом является создание компактного интегрального оптоволоконного квантового сенсора с каналом доставки СВЧ-излучения для термометрии и магнитометрии, для измерений в эндоскопическом режиме, обеспечивающего надежные и эффективные измерения и температуры и магнитного поля, а в некоторых интерпретациях, позволяющий получать двумерные карты распределения температуры и магнитного поля с высоким пространственным разрешением.
Технический результат достигается тем, что интегральный оптоволоконный квантовый сенсор с каналом доставки СВЧ-излучения для термо- и магнитометрии, содержащий оптический световод с закрепленным на его торце хотя бы одним кристаллом алмаза с азото-замещенными вакансиями, двухпроводную металлическую СВЧ-линию на поверхности оптического световода, изогнутую в форме незамкнутого кольца вокруг торца оптического световода, металлическая СВЧ-линия содержит субмикронный металлический адгезионный слой на границе с оптическим световодом и слой из металла с высокой проводимостью толщиной хотя бы 2 мкм на поверхности металлического адгезионного слоя, металл с высокой проводимостью выбран из группы, содержащей серебро, медь. Оптический зонд с интегрированной СВЧ-линией предназначен для локальных измерений, в том числе и труднодоступных местах. Для этого СВЧ-линия на поверхности оптического световода одновременно должна быть надежно закреплена на поверхности оптического световода и должна хорошо передавать СВЧ-сигнал. Предпочтительными проводниками для передачи СВЧ-поля являются металлы с низким сопротивлением, такие как медь и серебро. Эти металлы, однако, не проявляют достаточной адгезии к поверхности очищенного кварцевого волокна. Поэтому, на волокне был сформирован дополнительный промежуточный металлический адгезионный слой. Субмикронный металлический адгезионный слой обеспечивает надежность крепления металлической двухпроводной СВЧ-линии к поверхности оптического волокна. Слой металла с высокой проводимостью толщиной хотя бы 2 мкм на поверхности адгезионного слоя обеспечивает надежную передачу СВЧ сигнала. Толщина слоя металла для СВЧ-линии должна быть не менее 2 мкм (толщины скин-слоя для СВЧ-волны).
Металл металлического адгезионного слоя выбран из группы, содержащей никель, хром, титан. Эти металлы обеспечивает достаточную адгезию для металлической СВЧ-линии к поверхности оптического световода.
Металлический адгезионный слой является напыленным слоем металла, сформированным методом магнетронного напыления. Слой из металла с высокой проводимостью является напыленным слоем металла, нанесенным методом магнетронного напыления. Первый слой металла, обеспечивающий хорошую адгезию с диэлектрическим материалом волновода, и второй слои металла, являющийся рабочим слоем, сформированы методом магнетронного напыления. Метод магнетронного напыления позволяет наносить различные слои металла на диэлектрик, точно контролируя толщину наносимого слоя, с получением высокого качества поверхности. Нанесение металлических покрытий методом магнетронного напыления на оптическое волокно незначительно увеличивает их размер, особенно по сравнению с закреплением на их поверхности металлических проволочек.
Двухпроводная металлическая СВЧ-линия, изогнутая в форме незамкнутого кольца вокруг торца оптического световода, сформирована способом лазерной фотолитографии. Получение двухпроводной линии из заготовки требует удаления части слоя меди для формирования проводящей структуры: двух токоведущих дорожек и антенны в форме незамкнутого кольца на торце волокна. Лазерная фотолитография является предпочтительным методом для изготовления тонких металлических полос.
Оптический световод является микроструктурированным оптическим волокном. Применение микроструктурированного оптического волокна со специальными спланированными структурами оболочки обеспечивает высокую числовую апертуру волоконного сенсора и большую эффективность сбора рассеянного сигнала флуоресценции.
Оптический световод является многоканальным оптическим волокном. Применение многоканального оптического волокна позволяет разместить на торце волокна более одного микро- или нанокристалла алмаза, что принципиально позволяет проводить измерение магнитного поля и температуры в нескольких точках одновременно, и обеспечивает построение двумерных построений распределения магнитного поля и/или температуры без сканирования зонда.
На Фиг. 1 представлена схема устройства на основе микро- и наночастиц алмаза с центрами окраски и гибридного оптического/СВЧ-зонда для локальной эндоскопометрии температуры и магнитного поля
На Фиг. 2 представлена схема электронных уровней и спектр флуоресценции NV-центра, поясняющие физические принципы оптической регистрации в NV-центрах.
На Фиг. 3 представлены схемы и сечения оптоволоконных сенсоров с каналом доставки СВЧ-излучения. (1) - схема проволочной двухпроводной линии; (2) - сечение проволочной двухпроводной линии, (3) - схема интегрированной двухпроводной линии; (4) - сечение интегрированной двухпроводной линии.
На Фиг. 4 изображено очищенное кварцевое волокно с диаметром оболочки 125 мкм с напыленным металлическим слоем меди толщиной порядка 5 мкм (1) и с нанесенным многослойным медным покрытием с диэлектрическим слоем (2); подобная структура возможна для создания коаксиального волновода.
На Фиг. 5 представлены: (А) образец оптоволокна диаметром 145 мкм, покрытый фоторезистом CRC POSITTV20 до экспонирования; (Б) образец волокна с проэкспонированной линией (справа).
На Фиг. 6 представлена фотография установки для измерений температуры и магнитного поля в мозге животного in-vivo с помощью интегрального оптоволоконного квантового сенсора.
Наш подход к изготовлению СВЧ-линии передачи микроволнового излучения направлен на увеличение компактности, функциональности и технологичности зонда за счет формирования линии передачи излучения непосредственно на поверхности оптического волокна. Обращение к технологичным методам нанесения металлических покрытий, а именно к магнетронному напылению, дает возможность провести металлизацию диэлектрического волокна для использования в качестве заготовки интегрированной двухпроводной линии, формируемой методом маскирования и химического травления проводящей структуры двухпроводной линии. Применение высокоточной технологии магнетронного напыления для нанесения покрытий позволяет предельно уменьшать толщины наносимых слоев вплоть до предельно возможных, определяемых толщиной скин-слоя проводника.
С помощью методики магнетронного напыления можно создавать слои металла различной толщины - от субмикронов до десятков микрометров, но достаточно слоя толщиной порядка нескольких микрометров. Толщина скин-слоя меди составляет 1,2 мкм для частоты поля около 3 ГГц. Слой медного проводника, равный двум-трем толщинам скин-слоя, нанесенный на адгезионный металлический слой, увеличит диаметр зонда не более чем на 10 мкм. Слой в две-три толщины скин-слоя наносят для надежности работы системы. Так, можно достичь высокой степени миниатюризации системы доставки СВЧ-излучения на оптомикроволноводном зонде.
Для изготовления интегрального оптоволоконного квантового сенсора были выбраны хром для первого слоя металла и медь для второго слоя металла. Напыление субмикронного адгезионного подслоя хрома проводится для повышения адгезии медных проводящих покрытий к кварцевой подложке.
Образцы оптоволокна с нанесенным слоем меди далее использовались для изготовления зондов с двухпроводной передающей СВЧ-линией, схематическое изображение зонда представлено на Фиг. 3(3). Получение двухпроводной линии из заготовки требует удаления части слоя меди для формирования проводящей структуры: двух токоведущих дорожек и антенны в форме незамкнутого кольца на торце волокна. Для создания проводящей СВЧ линии применялся подход создания защитной маски на основе фотолитографии с прямой засветкой лазерным излучением, и дальнейшем травлением проводящей структуры, Очевидно, что адаптация литографии к волоконной подложке оптомикроволноводного зонда длиною порядка нескольких десятков сантиметров требует иного подхода как к нанесению фоторезиста, так и к самому формированию защитной маски. Основой разрабатываемой технологии изготовления двухпроводной линии является протяжка оптического волокна через рабочую зону нанесения фоторезиста.
На Фиг. 4 изображено очищенное кварцевое волокно с диаметром оболочки 125 мкм с напыленным металлическим слоем меди толщиной порядка 5 мкм (Фиг. 4(1)) и с нанесенным многослойным медным покрытием с диэлектрическим слоем (Фиг. 4(2)). Такая структура возможна для создания коаксиального СВЧ волновода.
Образцы оптоволокна с нанесенным слоем меди пригодны для дальнейшего изготовления зондов с двухпроводной передающей СВЧ-линией. Получение двухпроводной линии из заготовки требует удаления части слоя меди для формирования проводящей структуры: двух токоведущих дорожек и антенны на торце волокна. В ходе выполнения работы была использована технологии, основанные на химическом травлении и фотолитографию с прямой засветкой лазерным излучением.
Очевидно, что адаптация литографии к волоконной подложке оптомикроволноводного зонда длиною порядка нескольких десятков сантиметров требует иного подхода, относительно плоских поверхностей, как к нанесению фоторезиста, так и к самому формированию защитной маски. Основой разработанной технологии изготовления защитной маски и далее непосредственно двухпроводной линии является протяжка оптического волокна через рабочую зону, в которой происходит необходимая часть технологического процесса. Нанесение фоторезиста на волоконную подложку проводилось методом протяжки оптического волокна через ванну с фоторезистом. Был подобран негативный фоторезист Фраст-М ФН-11-С-ФД при скоростях вытяжки порядка нескольких см/с, что обеспечило необходимую толщину фоторезиста порядка единиц микрометров. Далее был использован позитивный фоторезист CRC POSITIV20.
2
Для нанесения фоторезиста была спроектирована и собрана установка, с помощью которой было проведено покрытие обмедненных волоконных подложек фоторезистами ФН-11-С-ФД и CRC POSITIV20. Формирование маскирующего рисунка было проведено методами прямой лазерной литографии на протягиваемом оптоволокне, покрытом позитивным фоторезистом CRC POSITIV20. Экспериментальная установка включает в себя систему экспонирования оптического волокна с двух сторон и систему протяжки оптического волокна. Собранные блоки экспонирования позволяют проводить прямую лазерную засветку фоторезистов излучением с длиной волны 405 нм и размером пятна 15 мкм в рабочей зоне, а также наблюдать за процессом экспонирования с помощью ПЗС-камеры. Скорость протяжки волокна подбиралась для плотности энергии экспонирования 25 мДж/мм, мощности экспонирующего излучения 5 мкВт и размера пятна 15 мкм и составила 20 мкм/с.
На Фиг. 5 представлен результат травления экспонирования волокна, покрытого фоторезистом. (Фиг. 5(1)) - образец оптоволокна диаметром 145 мкм, покрытый фоторезистом CRC POSITIV20 до экспонирования; (Фиг. 5(2)) - образец волокна с проэкспонированной линией.
17
18
-3
1/2
Для демонстрационных экспериментов был изготовлен оптомикроволноводный зонд длиной 20 см на базе оптического волокна со ступенчатым показателем преломления, диаметром сердцевины 200 мкм, числовой апертурой 0,22 и толщиной двухпроводной линии 25 мкм. Первым адгезионным слоем был слой хрома. Слоем металла с высокой проводимостью был слой из меди. Для этого зонда было измерено распределение мощности СВЧ-поля вокруг торца волокна, где предполагается размещение квантового сенсора - частицы алмаза с отрицательно заряженными NV-центрами. Для демонстрации эффективности разработанного зонда с его помощью были проведены измерения температуры в живом животном in vivo. Алмаз диаметром от 30 мкм с ориентировочной концентрацией NV-центров 10-10 см использовался в качестве сенсорного элемента разработанного зонда. С его помощью измерялась температура коры головного мозга живой неанастезированной мыши. Измерения проводились в ситуации вживления зонда в мозг свободноподвижной мыши, а также в наиболее распространенной ситуации зафиксированного под микроскопом животного. Проведенное измерение на живых животных показало работоспособность разработанного зонда, значительно расширяющего инструменты нейробиологических исследований. С помощью реализованного оптомикроволноводного зонда показана возможность измерений температуры в мозге живой мыши с точностью не хуже 0,1К и пространственным разрешением порядка 30 мкм, соответствующего размеру микрочастицы алмаза. В экспериментальных исследованиях была также показана возможность измерения магнитного поля с пространственным разрешением менее 30 мкм и чувствительностью не хуже 10 нТ/Гц.
Полученные результаты обеспечивают базу для создания высокоэффективного сверхкомпактного квантового сенсора на основе микро- и наночастиц алмаза с азото-замещенными вакансиями и оптического световода с интегрированной на его поверхности СВЧ-линией для локальной эндоскопометрии температуры и магнитного поля. Возможные области применения разработанного оптомикроволноводного зонда простираются от задач квантовой физики до in vivo биовизуализации.