Оптический магнитометр
OPTICAL MAGNETOMETER

Изобретение относится к устройствам измерения магнитного поля и может быть использовано для измерения слабых магнитных полей с субмиллиметровым пространственным разрешением.
Измерение магнитных полей является актуальной задачей для самых различных областей деятельности, от геологоразведки и археологии до биологии и медицины. Существует большое количество различных типов магнитометров. Особую роль в магнитометрии играют оптические магнитометры для измерения слабых магнитных полей, основанные на спиновых свойствах паров щелочных элементов (см., например, Budker D. Optical Magnetometry / D. Budker, M.V. Romalis // Nature Phys., 2007. V. 3. P. 227), однако такие магнитометры, обладая высокой чувствительностью, не могут обеспечить высокое пространственное разрешение, так как требуют использования сравнительно больших объемов атомных паров, находящихся в ячейках с размерами не меньше миллиметровых значений.
Перспективными считаются магнитометры с использованием NV-центров в алмазе сочетающие высокую чувствительность и высокое пространственное разрешение (см., например, Rondin L. Magnetometry with nitrogen-vacancy defects in diamond / L. Rondin, J.-P. Tetienne, T. Hingant, J.-F. Roch, P. Maletinsky, V. Jacques // Rep.Prog. Phys., 2014. V. 77, №5. 26 p.). NV-центр представляет собой вакансию углерода (V) в кристалле алмаза, в ближайшей координационной сфере которой один из четырех атомов углерода заменен атомом азота (N). Особенностями NV-центров является то, что их электронные спины могут быть поляризованы в определенном состоянии с помощью оптического излучения, легко манипулируются СВЧ излучением, кроме того, интенсивность флуоресценции зависит от степени спиновой поляризации NV-центра. Широко распространенный подход к реализации магнитометрии с NV-центрами основан на оптическом детектировании магнитного резонанса (ОДМР) с использованием СВЧ излучения во внешнем магнитном поле, которое необходимо измерить. Для измерения магнитного поля может использоваться одиночный NV-центр, в этом случае обеспечивается нанометровое пространственное разрешение. Также для измерения магнитного поля может использоваться большое количество (ансамбль) NV-центров, что снижает пространственное разрешение, но повышает чувствительность. В качестве активного элемента может использоваться, например, закрепленный на торце оптического волокна кристалл алмаза, содержащий NV-центры, с объемом порядка 0,01 мм и менее (см. Вершовский А.К. Микроразмерный квантовый трехкомпонентный магнитометр на основе азотно-вакансионных центров окраски в кристалле алмаза / А.К. Вершовский, А.К. Дмитриев // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41, вып.8. С. 78-85).
Известен оптический магнитометр на NV-центрах в алмазе (см. п. 4 и п. 9 формулы патента US 8947080; МПК G01R 33/02; G01R 33/00; G01V 3/08, публ. 03.02.2015). Измерение магнитного поля данным оптическим магнитометром осуществляется методом оптического детектирования магнитного резонанса (ОДМР) наблюдаемого в сигнале флуоресценции, излучаемом NV-центрами при приложении к NV-центрам лазерного и микроволнового излучения. Магнитное поле определяют путем измерения частоты магнитного резонанса, которая зависит от зеемановского сдвига спиновых уровней в магнитном поле.
Недостатком рассматриваемого оптического магнитометра является использование источника СВЧ излучения. Источник СВЧ излучения усложняет конструкцию магнитометра. Использование СВЧ излучения ограничивает область применимости магнитометра, т.к. в ряде случаев его использование может быть затруднено, например, вблизи проводящих материалов, или может приводить к нежелательным воздействиям на объект исследования. Кроме того, расщепление тонкой структуры NV-центров существенно зависит от температуры, поэтому рассматриваемый оптический магнитометр чувствителен к флуктуациям температуры используемого активного элемента.
Известна схема оптического магнитометра, приведенная в качестве возможной схемы реализации способа измерения магнитного поля, описанного в патенте RU 2654967 (МПК G01R 33/02, публ. 23.05.2018). Данный оптический магнитометр, выбранный в качестве прототипа, включает лазер, оптически соединенный через дихроичное зеркало с активным элементом в виде кристалла алмаза с NV-центрами, который также оптически связан через дихроичное зеркало с фотодетектором, и электромагнит, создающий в активном элементе магнитное поле. Упомянутая схема магнитометра-прототипа является упрощенной. Естественным образом подразумевается, что в ней присутствуют источник питания электромагнита, оптическая система для фокусировки лазерного излучения и некоторый блок управления, позволяющий управлять процессом измерений, иначе схема просто не будет функционировать.
Рассматриваемый оптический магнитометр использует явление кросс-релаксации при взаимодействии различно ориентированных групп NV-центров в алмазе, которое приводит к изменению интенсивности флуоресценции в области магнитных полей, при которых частоты переходов между подуровнями основного состояния для двух или нескольких групп NV-центров совпадают. При этом он не использует СВЧ излучения и не чувствителен к флуктуациям температуры активного элемента. Характеристики измеряемого магнитного поля определяют по положениям кросс-релаксационных резонансов в зависимости сигнала флуоресценции от величины магнитного поля, создаваемого электромагнитом. В случае если создаваемое электромагнитом поле направлено вдоль одной из главных кристаллографических осей алмаза (в соответствии с п. 3 формулы патента RU 2654967), для определенности Z=[001], то по положению резонансов можно определить Z-компоненту магнитного поля (проекцию на ось Z) и модули Х- и Y-компонент (проекций на кристаллографические оси Х=[100] и Y=[010] соответственно), однако нельзя определить знак Х- и Υ- компонент и идентифицировать, какое из измеренных значений соответствует Х-компоненте, а какое Υ-компоненте. По измеренным данным можно определить Z-компоненту и величину магнитного поля. Для полного определения характеристик измеряемого магнитного поля (величины и направления) предлагается последовательно направлять магнитное поле вдоль каждой из трех главных кристаллографических осей алмаза, что потребует либо поворота образца и/или электромагнита, либо двух дополнительных электромагнитов, создающих соответственно направленные магнитные поля, что приводит к существенному усложнению конструкции.
Недостатками оптического магнитометра-прототипа является невозможность измерения слабых магнитных полей, не приводящих к расщеплению кросс-релаксационных резонансов, необходимость для полного определения характеристик измеряемого магнитного поля менять ориентацию электромагнита относительно образца. В конструкции прототипа также не предусмотрено механизмов снижения шумов в сигнале флуоресценции, одним из источников которых могут являться флуктуации интенсивности лазерного излучения. Это приводит к низкой точности определения положения кросс-релаксационных резонансов и, как следствие, к низкой чувствительности магнитометра.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является упрощение конструкции оптического магнитометра, позволяющего осуществлять полное определение характеристик слабого магнитного поля (величины и направления), и повышение точности его измерений.
Положительный эффект достигается тем, что оптический магнитометр включает по крайней мере лазер, оптически соединенный через дихроичное зеркало с активным элементом в виде кристалла алмаза с NV-центрами, который также оптически связан через дихроичное зеркало с фотодетектором, и электромагнит, создающий в активном элементе магнитное поле.
Новым является то, что активный элемент закреплен на торце оптического волокна, электромагнит и дополнительный магнит закреплены неподвижно относительно активного элемента таким образом, чтобы направление создаваемого электромагнитом поля совпадало с направлением одной из главных кристаллографических осей алмаза, а создаваемое дополнительным магнитом поле смещения позволяло при воздействии излучения лазера на активный элемент разрешать пять кросс-релаксационных резонансов в сигнале флуоресценции, фотодетектор выполнен балансным, его входы оптически сопряжены с лазером, причем один сопряжен через частично прозрачное зеркало, а второй - через частично прозрачное зеркало, дихроичное зеркало, объектив, оптическое волокно до активного элемента и обратно через оптическое волокно, объектив, дихроичное зеркало и светофильтр, а выход через синхронный детектор, получающий сигнал опорной частоты от генератора низкой частоты, соединен с блоком управления, задающим величину тока, создаваемого источником тока, при этом электромагнит запитан от источника тока и генератора низкой частоты.
Настоящее изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведена блок-схема предлагаемого оптического магнитометра.
На фиг. 2 приведена кривая зависимости сигнала флуоресценции с выхода синхронного детектора F от величины постоянной составляющей В магнитного поля, создаваемого электромагнитом; буквами от а-д положения центров кросс-релаксационных резонансов.
На фиг. 3 приведена калибровочная кривая - зависимость сигнала флуоресценции с выхода синхронного детектора F от отстройки от положения центра резонанса δ (в центре резонанса F=0) для одного из кросс-релаксационных резонансов.
Предложенный оптический магнитометр (см. фиг. 1) включает активный элемент 1 в виде кристалла алмаза с NV-центрами, закрепленный на торце оптического волокна 2, электромагнит 3 и дополнительный магнит 4, закрепленные неподвижно относительно активного элемента 1 таким образом, чтобы направление создаваемого электромагнитом 3 поля совпадало с направлением одной из главных кристаллографических осей алмаза, а создаваемое дополнительным магнитом поле смещения позволяло при воздействии излучения лазера 5 на активный элемент 1 разрешать пять кросс-релаксационных резонансов в сигнале флуоресценции, балансный фотодетектор 6, входы которого оптически сопряжены с лазером 5, причем один сопряжен через частично прозрачное зеркало 7, а другой - через частично прозрачное зеркало 7, дихроичное зеркало 8, объектив 9, оптическое волокно 2 до активного элемента 1 и обратно через оптическое волокно 2, объектив 9, дихроичное зеркало 8 и светофильтр 10, а выход через синхронный детектор 11, получающий сигнал опорной частоты от генератора низкой частоты 12, соединен с блоком управления 13, задающим величину тока, создаваемого источником тока 14, при этом электромагнит 3 запитан от источника тока 14 и генератора низкой частоты 12.
Оптический магнитометр осуществляет работу следующим образом. Активный элемент 1, размещенный на торце гибкого оптического волокна 2, используемого совместно с электромагнитом 3 и дополнительным магнитом 4, закрепленными неподвижно относительно активного элемента 1, помещают в область измеряемого магнитного поля. Часть устройства с указанными элементами конструкции может быть реализована обособлено от других элементов конструкции, например, в виде щупа. Излучение лазера 5 (например, с длиной волны 520 или 532 нм), проходя через частично прозрачное зеркало 7, отражается от дихроичного зеркала 8, которое выбрано так, чтобы оно отражало излучение лазера 5, но пропускало сигнал флуоресценции от NV-центров, фокусируется с помощью объектива 9 и заводится в оптическое волокно 2. Излучение лазера 5 возбуждает флуоресценцию NV-центров в активном элементе 1, закрепленном на торце оптического волокна 2. Часть излучения лазера 5 с помощью частично прозрачного зеркала 7 поступает на один вход балансного фотодетектора 6. Сигнал флуоресценции проходит через оптическое волокно 2, объектив 9 и дихроичное зеркало 8, отфильтровывается от остаточного излучения лазера 5 с помощью светофильтра 10 и поступает на другой вход балансного фотодетектора 6. Балансная схема детектирования сигнала флуоресценции использована для снижения влияния на результаты измерений флуктуаций интенсивности излучения лазера 5. Балансный фотодетектор 6 настроен таким образом, чтобы вне кросс-релаксационных резонансов сигнал с его выхода был равен 0.
~
~
Для проведения измерений на электромагнит 3 подают переменный ток с помощью генератора низкой частоты 12 и задаваемый посредством блока управления 13 постоянный ток с источника тока 14, создавая в активном элементе 1 постоянное магнитное поле В и переменное магнитное поле B на постоянной частоте, лежащей в диапазоне от сотен герц до десятков килогерц. Электромагнит 3 расположен таким образом, чтобы создаваемые магнитные поля В и B в активном элементе 1 были ориентированы вдоль направления одной из главных кристаллографических осей кристалла алмаза, например, Z=[001]. Наличие переменной составляющей магнитного поля электромагнита 3 позволяет использовать синхронный детектор 11 при регистрации отклика в сигнале флуоресценции для снижения шумов и повышения точности измерений. Сигнал с балансного фотодетектора 6 подают на синхронный детектор 11, на который также поступает сигнал опорной частоты от генератора низкой частоты 12. Сигнал с выхода синхронного детектора 11 поступает в блок управления 13, который, управляя источником тока 14, задает значения поля В, регистрирует значения F (сигнала флуоресценции с выхода синхронного детектора 11) и осуществляет управление процессом измерения и обработку результатов.
Дополнительный магнит 4, в качестве которого может использоваться постоянный магнит или электромагнит, запитанный от отдельного источника постоянного тока, создает в активном элементе 1 магнитное поле смещения. Расположение и сила дополнительного магнита 4 подобраны так, чтобы создаваемое им магнитное поле смещения позволяло как в отсутствие измеряемого магнитного поля, так и в присутствии измеряемого магнитного поля при изменении постоянной составляющей поля В, создаваемого электромагнитом 3, в зависимости F от В наблюдать 5 кросс-релаксационных резонансов (см. фиг. 2).
Без магнитного поля смещения в отсутствие измеряемого магнитного поля и при слабых измеряемых полях кросс-релаксационные резонансы в сигнале флуоресценции не расщепляются и мешают наблюдению друг друга. В этом случае измерение магнитного поля по положению кросс-релаксационных резонансов невозможно. Например, для использованного в одной из работ авторов изобретения (см. Akhmedzhanov R. Magnetometry by cross-relaxation-resonance detection in ensembles of nitrogen-vacancy centers / R. Akhmedzhanov, L. Gushchin, N. Nizov, V. Nizov, D. Sobgayda, I. Zelensky, P. Hemmer // Phys. Rev. A. 2019. V. 100. P. 043844-1 -043844-6) активного элемента 1 ширина наблюдаемых кросс-релаксационных резонансов составила около 5 гаусс.В этом случае использование магнитного поля смещения менее 15 гаусс неэффективно.
Положения кросс-релаксационных резонансов в отсутствие измеряемого магнитного поля определяются магнитным полем смещения. В частности, в случае если магнитное поле, создаваемое электромагнитом 3, ориентировано вдоль кристаллографической оси алмаза Z=[001], положение центрального резонанса равно по величине и противоположно по знаку Z-компоненте поля смещения, а расстояние между центральным и боковыми резонансами по величине равны Х- и Y- компонентам. Смещение кросс-релаксационных резонансов в присутствии измеряемого поля не должно приводить к их перекрытию или перепутыванию их порядка. Таким образом, величина магнитного поля смещения определяет диапазон измеримых магнитных полей. Например, для магнитного поля смещения, ориентированного вдоль направления [210], обеспечивающего эквидистантное расположение кросс-релаксационных резонансов, диапазон измеряемых полей D можно оценить как
см
рез
D≈0,3×B-ΔB,
см
рез
где В - величина поля смещения, ΔΒ - ширина кросс-релаксационного резонанса.
На фиг. 2 приведен вид кросс-релаксационных резонансов для поля смещения величиной около 33 Гс. Ширина кросс-релаксационных резонансов около 5 Гс, при этом диапазон измеримых полей может быть оценен в 5 Гс. При сильных магнитных полях снижается эффективность поляризации NV-центров оптическим излучением, что приводит к снижению контраста кросс-релаксационных резонансов. Верхнюю границу для магнитного поля смещения можно оценить в 100 Гс, что соответствует диапазону измеримых магнитных полей 25 Гс.
а
д
Выбор осей X и Υ из главных кристаллографических осей алмаза и их направлений в общем случае произволен. Выберем оси так, чтобы компоненты магнитного поля смещения были положительны, причем большей компоненте соответствовала ось X. В этом случае крайние боковые резонансы (обозначены как  и  на фиг. 2) соответствуют Х-компоненте, а ближние к центральному резонансу (б и г на фиг. 2) - Y-компоненте. Измеряемое магнитное поле приводит к смещению резонансов, линейно зависящих от компонент измеряемого поля. Измерив смещения резонансов, можно однозначно определить Χ-, Υ- и Z-компоненты измеряемого магнитного поля. В работе Akhmedzhanov R. Magnetometry by cross-relaxation-resonance detection in ensembles of nitrogen-vacancy centers / R. Akhmedzhanov, L. Gushchin, N. Nizov, V. Nizov, D. Sobgayda, I. Zelensky, P. Hemmer //Phys. Rev. A. 2019. V. 100. P. 043844-1 - 043844-6 экспериментально продемонстрирована работоспособность такого подхода, в том числе для случая, когда магнитное поле В ориентировано не строго вдоль главной кристаллографической оси алмаза. Возможны отклонения до 6 градусов, что снижает требования к точности юстировки и облегчает изготовление устройства.
При калибровке прибора для каждого из кросс-релаксационных резонансов определяют положение центра резонанса в отсутствие измеряемого магнитного поля и калибровочную кривую - зависимость F от отстройки от положения центра резонанса δ (см. фиг. 3). В центре резонанса F равно 0. Для измерения магнитного поля определяют положения центров кросс-релаксационных резонансов в присутствии измеряемого поля.
Для приближенного измерения положений центров резонансов в присутствии измеряемого поля с помощью блока управления 13 через источник тока 14 изменяют значение постоянной составляющий магнитного поля В, при этом регистрируют сигнал F, таким образом снимают зависимость F от В в присутствии измеряемого поля. По полученной зависимости с помощью блока управления 13 определяют положения центров кросс-релаксационных резонансов, соответствующих F=0.
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
i
i
i
i
i
i
i
i+1
i
i
Для точного определения положений резонансов для каждого из резонансов поочередно подбирают значение В, соответствующее нулевому значению F, то есть положению центра резонанса. Для этого можно использовать следующую итерационную процедуру, осуществляемую блоком управления 13. Устанавливают значение В вблизи положения центра резонанса. В качестве В используется приближенное значение положения центра соответствующего резонанса, определенное по зависимости F от В в присутствии измеряемого поля. Измеряют величину F,, соответствующую B. По измеренной величине F и форме калибровочной кривой (см. фиг. 3) определяют отстройку от положения центра резонанса δ (с учетом знака). Корректируют величину В на отстройку δ с учетом знака, В=В±δ (для рассмотренного на фиг. 3 случая B=B-δ), повторяют процедуру. На i-м этапе устанавливают значение В равное B. Измеряют F соответствующее В. По измеренной величине F и форме калибровочной кривой (см. фиг. 3) определяют отстройку от центра резонанса δ. Корректируют величину B на отстройку δ с учетом знака, B=B±δ. Процедуру повторяют до тех пор, пока значение F не будет равно 0 с заданной точностью. Полученная величина В соответствует положению центра резонанса в присутствии измеряемого поля. Процедуру проводят последовательно для нескольких резонансов.
а
Определив положения центров резонансов в присутствии и в отсутствие измеряемого магнитного поля, блок управления 13 определяет их смещения и по ним рассчитывает Χ-, Y- и Z-компоненты измеряемого магнитного поля. При этом для определения всех компонент измеряемого магнитного поля достаточно измерить смещения положений центров трех резонансов, например резонансов , б, в (см. фиг. 2):
α
б
в
x
у
z
Δ, Δ, Δ соответственно, тогда Χ-, Υ- и Z-компоненты измеряемого магнитного поля В, В и В рассчитываются по следующим формулам:
z
в
B=-γΔ,
х
а
z
В=-αΔ-В,
y
б
z
B=-βΔ-B.
Коэффициенты α, β, γ близки к 1 и определяются в результате калибровки.
Таким образом, предложенный оптический магнитометр позволяет осуществлять полное определение характеристик слабого магнитного поля (величины и направления). При этом нет необходимости для определения каждой из компонент измеряемого магнитного поля менять ориентацию электромагнита относительно активного элемента и юстировать их друг относительно друга, что, с одной стороны, сильно упрощает конструкцию оптического магнитометра и повышает удобство его использования в работе и, с другой стороны, повышает точность производимых измерений. Также в конструкции оптического магнитометра за счет использования схем балансного и синхронного детектирования максимально снижено влияние шумов в сигнале флуоресценции, что также вносит свой вклад в повышение точности производимых измерений.