从笨重的光路到片上集成：可随身携带的金刚石 NV 磁场相机

Humboldt-Unversität zu Berlin

摘要

客户: Julian M. Bopp

地点: Germany

行业: 学术界 / 高等教育

研究领域: 量子技术

产品: MFLI 500 kHz / 5 MHz 锁相放大器

Julian M. Bopp（柏林洪堡大学）介绍一款采用光纤封装、芯片集成的金刚石氮-空位（NV）色心磁场相机：体积小巧，便于携带，且灵敏度足以逐像素实现磁场成像。

简介

金刚石中的氮-空位（Nitrogen-Vacancy，NV）色心由氮原子取代晶格中的碳原子而形成，可以用作固态量子传感器。在绿光激光（泵浦光）的激发下，NV 色心对红外光的吸收会随待测磁场、以及所加微波信号的频率而改变。凭借室温下就能达到的出色灵敏度，NV 色心被广泛用于量子传感，既可以用来研究材料性质，也可以探测生物样品中的神经信号。

挑战在哪里？

基于金刚石 NV 色心的磁场成像仪虽然能给出空间分辨的磁场分布，但通常体积庞大，很难真正走向实际应用：要么需要用机械方式在样品上方扫描探针，要么得配上一整套光学元件繁多的显微镜。正因如此，迄今为止能够做到便携的金刚石 NV 磁场传感器，基本还停留在单像素器件的阶段。

我们的解决方案

在最近的一项工作 [1] 中，我们做出了一台基于金刚石 NV 色心、坚固而便携的磁场相机。整台传感器采用全光纤封装和芯片集成设计，核心是一块 1.4 × 1.4 mm² 的金刚石衬底，嵌在聚合物-硅平台之中。

光纤从侧面接入金刚石衬底，在衬底内部形成一张由绿色泵浦光与红外探测光垂直交叉构成的光束网格（图 1）。光束的每个交叉点就是一个用于测量磁场的像素，像素正上方的电感线圈负责施加让自旋翻转的微波信号。

这一调频信号由 Rohde & Schwarz SMB100B 信号发生器产生。信号发生器扫描它的中心频率，使其扫过随磁场移动的 NV 自旋共振频率；由此产生的红外吸收变化由光电二极管接收，再经苏黎世仪器 MFLI 锁相放大器解调，便可推算出每个像素处的磁场。逐行切换泵浦光、逐列读取红外透射信号，就能寻址全部像素，最终重建出整幅磁场图像。