ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ МАГНИТОМЕТР НА АЗОТНО-ВАКАНСИОННЫХ ЦЕНТРАХ ОКРАСКИ В КРИСТАЛЛЕ АЛМАЗА Российский патент 2025 года по МПК G01R33/26 

Настоящее изобретение относится к технике измерения магнитного поля, а именно к области квантовых магнитометров с оптической накачкой и детектированием и может найти применение для задач навигации и исследования магнитного поля Земли.

Одной из наиболее актуальных задач современной высокочувствительной магнитометрии является измерение величины индукции и направления магнитных полей как естественного (обусловленного собственным магнетизмом Земли), так и искусственного происхождения. Устройства, способные прецизионно определять направление магнитного поля (векторные магнитометры, иногда также называемые магнитными компасами), используются как в задачах навигации, так и в многочисленных поисковых задачах. Поскольку поисковые задачи в настоящее время осуществляют преимущественно с применением малогабаритных беспилотных устройств, возникает необходимость создания квантового векторного магнитометра, характеризующегося чувствительностью к отклонению вектора магнитного поля на уровне десятков угловых секунд при объеме чувствительного элемента квантового магнитометра - квантового датчика в единицы мм³. Единственным объектом, способным обеспечить такое сочетание чувствительности и компактности, является кристалл алмаза с содержанием азотно-вакансионных центров окраски (NV-центры), представляющих собой замещение атома углерода в кристаллической решетке атомом азота, и замещение соседнего атома углерода вакансией. NV-центр характеризуется спином S=1; спин NV-центра может быть ориентирован нерезонансным излучением зеленого или оранжевого лазера или светодиода; воздействие на NV-центр резонансного зеемановскому переходу сверхвысокочастотного (СВЧ) поля приводит к появлению оптически (по уровню флуоресценции) детектируемого сигнала магнитного резонанса.

Известен оптический магнитометр (RU 2776466, МПК G01R 33/02, опубл. 21.07.2022), включающий по меньшей 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. 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. Выход через синхронный детектор, получающий сигнал опорной частоты от генератора низкой частоты, соединен с блоком управления, задающим величину тока, создаваемого источником тока. Электромагнит запитан от источника тока и генератора низкой частоты. В процессе работы определяют положения центров резонансов в присутствии и в отсутствии измеряемого магнитного поля, определяют их смещения и по ним рассчитывают три компоненты измеряемого магнитного поля.

Недостатком известного оптического магнитометра является использование кросс-релаксационных резонансов. Они имеют меньшую амплитуду в сравнении с обычными оптически детектируемыми магнитными резонансами (ОДМР) в алмазе, а, следовательно, и меньшую чувствительность. Также регистрируемые сигналы представляют собой структуры из нескольких резонансов, что приводит к их частичному наложению.

Известен квантовый спиновый магнитометр (US 11269026, МПК G01R 33/02, G01R 33/12, G01R 33/26; опубл. 08.03.2022). Магнитометр включает в себя твердотельную квантовую систему по меньшей мере с двумя квантовыми спиновыми состояниями, генератор управляющих сигналов для изменения квантового состояния системы, детектор для измерения сигнала, процессор для определения магнитного поля на основе сигнала, зарегистрированного детектором. Также квантовая система установлена на вращателе. Вращение системы позволяет преобразовать статическое магнитное поле в переменное, тем самым позволяет использовать интерферометрию спинового эха.

Недостатком известного квантового спинового магнитометра является сложность в реализации такого магнитометра. Облучение вращающегося образца алмаза будет приводить к непредсказуемым переотражениям излучения накачки в кристалле. Также система механического вращения накладывает серьезные ограничения на применимость такого прибора.

Известен высокочувствительный твердотельный магнитометр (US 8947080, МПК G01R 33/02, G01N 24/10, G01R 33/00, G01R 33/032, G01R 33/12, G01R 33/24, G01R 33/60, G01V 3/08; опубл. 03.02.2015). Магнитометр имеет в своем составе электронную спиновую систему в твердом теле и детектор. Спиновая система содержит один или несколько электронных спинов, расположенных в кристаллической решетке твердого тела, например, NV-центры в алмазе. Спиновая система, находящаяся во внешнем магнитном поле облучается возбуждающим излучением оптического диапазона, также дополнительно на спиновую систему воздействует радиочастотное поле, таким образом, чтобы электронные спины прецессировали вокруг направления измеряемого магнитного поля. Частота прецессии спина линейно связана с магнитным полем зеемановским сдвигом энергетических уровней электронного спина. Детектор позволяет определить величину зеемановского сдвига и, следовательно, магнитного поля.

Основным недостатком высокочувствительного твердотельного магнитометра является использование сложных импульсных методов регистрации сигнала ОДМР.

Известен оптический квантовый магнитометр (RU 2789203, МПК G01R 33/26, опубл. 31.01.2023), включающий квантовый датчик в виде светопрозрачного контейнера с щелочным металлом, снабженного нагревателем, устройство ввода лазерного излучения, управляемый генератор, амплитудный модулятор, блок обработки сигналов, выход которого подключен к входу управляемого генератора, при этом устройство ввода лазерного излучения оптически соединено с квантовым датчиком. Магнитометр содержит также электрооптический модулятор и генератор сигналов. Блок обработки сигналов выполнен в виде устройства измерения азимута поляризации лазерного излучения и устройства фазовой автоподстройки частоты. Оптический вход электрооптического модулятора соединен с устройством ввода лазерного излучения, а оптический выход с квантовым датчиком. Устройство измерения азимута поляризации лазерного излучения последовательно соединено с первым входом устройства фазовой автоподстройки частоты, при этом второй вход устройства фазовой автоподстройки частоты подключен к выходу управляемого генератора и входу амплитудного модулятора, выход которого соединен с модулирующим входом электрооптического модулятора, а выход генератора сигналов подключен к управляющему входу устройства фазовой автоподстройки частоты и к модулирующему входу амплитудного модулятора.

Основным недостатком известного квантового магнитометра является скалярный характер измерений магнитного поля, что не позволяет его использовать в задачах навигации.

Известен стационарный твердотельный спиновый датчик с улучшенной чувствительностью (US 10705163, МПК G01R 33/26, G01N 24/12, G01R 33/30, G01R 33/34, G01R 33/36, G01R 33/44, опубл. 07.07.2020), включающий твердотельную систему, содержащую центры окраски, чувствительные к внешнему магнитному полю; источники тока для генерации двух синусоидальных сигналов; источник магнитного поля, находящийся в электромагнитной связи с NV-центрами и функционально связанный с источниками тока; резонатор для согласования источников тока и источника магнитного поля; детектор для регистрации флуоресценции NV-центров; процессор для обработки информации. Приложение к сенсору вращающегося магнитного поля под магическим углом относительно направления внешнего магнитного поля позволяет увеличить время дефазировки Т₂* за счет уменьшения влияния диполь-дипольного взаимодействия между NV-центрами внутри твердотельного датчика. Для измерения магнитного поля использована импульсная схема.

Недостатком известного спинового датчика является использование импульсного метода регистрации сигнала ОДМР, при котором у датчика утрачивается чувствительность за пределами узкого частотного диапазона, в том числе к постоянным магнитным полям.

Известен оптический квантовый магнитометр на азотно-вакансионных центрах окраски в кристалле алмаза (WO 2021152421, МПК G01R 33/022, G01R 33/24, опубл. 05.08.2021), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Магнитометр-прототип включает в себя квантовый датчик в виде кристалла алмаза с кубической структурой с четырьмя тетраэдрическими осями, содержащий NV-центры, ориентированные вдоль каждой из четырех тетраэдрических осей кристалла; источник сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, создающий волновое поле регулируемой частоты; источник излучения оптической накачки с длиной волны, вызывающей флуоресцентное излучение NV-центров в кристалле алмаза, устройство ввода излучения оптической накачки и фотоприемник для измерения общей мощности флуоресцентного излучения NV-центров в кристалле алмаза и блок обработки сигналов, выполняющий измерение флуоресцентного излучения на различных микроволновых частотах, вычисление дисперсионных свойств спектра и расчет величины внешнего магнитного поля из свойств дисперсии.

Недостатком известного квантового магнитометра является регистрация обычных резонансных сигналов ОДМР на различных микроволновых частотах. Регистрируемые сигналы представляют собой структуры из нескольких резонансов, что приводит к их частичному переналожению. Соответственно определение величины и направления поля осложняется систематическими ошибками.

Задачей настоящего технического решения является разработка трехкомпонентного оптического квантового магнитометра на азотно-вакансионных центрах окраски в кристалле алмаза, который бы обеспечивал высокую точность измерения величины и направления магнитного поля с сохранением малых размеров датчика и был лишен проблем, связанных с частичным переналожением резонансов в регистрируемом сигнале.

Поставленная задача решается тем, что трехкомпонентный оптический квантовый магнитометр на азотно-вакансионных центрах окраски в кристалле алмаза включает квантовый датчик в виде кристалла алмаза с кубической структурой с четырьмя тетраэдрическими осями, содержащий NV-центры, ориентированные вдоль каждой из четырех тетраэдрических осей кристалла, источник СВЧ излучения для создания в кристалле СВЧ поля регулируемой частоты СВЧ индуктором, источник излучения оптической накачки с длиной волны, вызывающей флуоресцентное излучение NV-центров, устройство ввода излучения оптической накачки, устройство генерации магнитного поля, фотоприемник с фильтром для измерения общей мощности флуоресцентного излучения NV-центров в кристалле алмаза и блок обработки сигналов. Новым в оптическом квантовом магнитометре является то, что магнитометр включает оптическую систему сбора флуоресцентного излучения NV-центров в кристалле алмаза, устройство генерации магнитного поля выполнено в виде соленоида, двух поперечных катушек Гельмгольца и трех управляемых генераторов токов, подаваемых соответственно на соленоид и поперечные катушки Гельмгольца, источник СВЧ излучения выполнен в виде двух управляемых генераторов СВЧ излучения, соединенных через смеситель с СВЧ индуктором. При этом главной осью чувствительности магнитометра является одна из четырех возможных ориентаций NV-центров в кристалле алмаза, с которой совпадает ось соленоида, ось поперечных катушек Гельмгольца, оптическая ось устройства ввода излучения оптической накачки и оптическая ось системы сбора и фильтрации флуоресцентного излучения NV-центров в кристалле алмаза.

Магнитометр может содержать поворотное механическое устройство в виде платформы, управляемое сигналами с квантового датчика, для обнуления угла между главной осью чувствительности магнитометра и вектором измеряемого магнитного поля, если поперечные компоненты измеряемого магнитного поля превышают диапазон компенсирующих поперечных магнитных полей, создаваемых катушками Гельмгольца.

Источник излучения оптической накачки может быть выполнен в виде лазерного диода или твердотельного лазера, или светодиода.

Новизна оптического квантового магнитометра заключается в том, что устройство сформировано по аксиально симметричной схеме, что позволяет устранить любые неравенства сдвигов при измерении поперечных компонент магнитного поля. Главную ось чувствительности магнитометра (в дальнейшем - ось z локальной системы координат) определяет кристаллическое направление [111] решетки кристалла алмаза, например, i=1. С главной осью чувствительности магнитометра совпадают: ось соленоида, ось системы катушек Гельмгольца, оптическая ось устройства ввода излучения оптической накачки, оптическая ось системы сбора и фильтрации излучения флуоресценции датчика. Расположение остальных кристаллических направлений определяют направления осей х и y локальной системы координат, с которыми, в свою очередь, совпадают оси поперечных катушек Гельмгольца. Для определенности примем, что ось у совпадает с проекцией ориентации i=3 NV-центров на плоскость, перпендикулярную оси z, а ось х перпендикулярна осям z и у, а ее направление подчиняется правилу правой системы координат. В результате каждое из двух симметричных крыльев (соответствуют переходам в энергетической структуре NV-центра на магнитные подуровни m_s=1 и m_s=-1) наблюдаемого спектра ОДМР состоит всего из двух хорошо разрешенных триплетов, причем частота первого триплета практически не зависит от величины поперечных компонент магнитного поля и потому используется для определения величины продольной компоненты магнитного поля, для чего на СВЧ индуктор подается резонансная триплету частота, модулированная во времени по синусоидальному закону, а частота второго триплета используется для определения величин поперечных компонент магнитного поля, для чего на СВЧ индуктор подается резонансная триплету немодулированная частота, и на кристалл алмаза подается вращающееся поперечное магнитное поле. Излучение источника оптической накачки подается на кристалл алмаза и вызывает флуоресценцию NV-центров, которая частично собирается оптической системой сбора на фотоприемник и преобразуется в электрический сигнал, который подается на вход блока обработки информации, который, управляя генераторами тока и генераторами СВЧ, замыкает обратные связи.

Настоящее изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг. 1 приведена блок-схема магнитометра (1 - кристалл алмаза, 2 - ввод излучения оптической накачки, 3 - оптическая система сбора и фильтрации излучения флуоресценции кристалла, 4 - фотоприемник, 5 - соленоид; 6, 7 - катушки Гельмгольца, 8 - СВЧ индуктор, 9 - источник излучения оптической накачки, 10 - блок обработки сигналов, 11, 12, 13 - управляемые генераторы токов, 14, 15 - генераторы СВЧ излучения, 16 - смеситель. В пунктирный прямоугольник А включены элементы 1-8, входящие в состав оптического датчика);

на фиг. 2 приведены четыре возможные ориентации NV-центров в кристаллической решетке кристалла алмаза (17-20 - атомы азота N, 21 - вакансия V; случай нахождения азота на позиции 17 - соответствует i=1, 18 - i=2, 19 - i=3, 20 - i=4; [001], [010], [100] - индексы Вайса, характеризующие направление векторов решетки);

на фиг. 3 показаны четыре возможные ориентации NV-центров в кристаллической решетке кристалла алмаза после перехода к локальной системе координат прибора (Овал - годограф вращения поперечного магнитного поля B_r, пунктирные линии - направления - фазы вращения поперечного магнитного поля вектора B_r, при которых наблюдается максимальный отклик на поперечную компоненту измеряемого магнитного поля В₀, B₁ - магнитное поле смещения, создаваемое соленоидом.

на фиг. 4 приведен расчетный спектр ОДМР в случае, когда измеряемое магнитное поле В₀ параллельно оси z прибора (22 и 25 - одиночные резонансные триплеты центров с направлением i=1 при переходах на магнитные подуровни m_s=-1 и m_s=1 соответственно, 23 и 24 - слитные резонансные триплеты центров с направлениями i=2, 3, 4 при переходах на магнитные подуровни m_s=-1 и m_s=1 соответственно.

Настоящий трехкомпонентный оптический квантовый магнитометр на азотно-вакансионных центрах окраски в кристалле алмаза (см. фиг. 1) содержит квантовый датчик А, включающий кристалл 1 алмаза с кубической структурой с четырьмя тетраэдрическими осями, содержащий NV-центры (см. фиг. 2), ввод 2 излучения оптической накачки (например, может быть реализован посредством гибкого световода), оптическую систему 3 сбора и фильтрации излучения флуоресценции кристалла 1 алмаза, в фокусе которой установлен фотоприемник 4, образец кристалла 1 алмаза находится в области наибольшей однородности магнитного поля, создаваемого внутри соленоида 5 и катушек Гельмгольца 6, 7. СВЧ индуктор 8 расположен на небольшом расстоянии от образца кристалла 1 алмаза. Оптический квантовый магнитометр также включает источник 9 излучения оптической накачки, блок 10 обработки сигналов, три управляемых генератора 11, 12, 13 токов и два управляемых генератора 14, 15 СВЧ излучения. Источник 9 излучения оптической накачки установлен на входе ввода 2 излучения оптической накачки. Выход фотоприемника 4 соединен с входом блока 10 обработки сигналов, выходы которого подключены к входам управляемых генераторов И, 12, 13 токов и входам генераторов 14, 15 СВЧ излучения. Выходы генераторов 14, 15 СВЧ излучения соединены через смеситель 16 с СВЧ индуктором 8. Главной осью чувствительности магнитометра является одна из четырех возможных ориентации NV-центров в кристалле 1 алмаза, с которой совпадает ось соленоида 5, ось поперечных катушек 6, 7 Гельмгольца, оптическая ось ввода 2 излучения оптической накачки и оптическая ось системы 3 сбора и фильтрации флуоресцентного излучения NV-центров в кристалле 1 алмаза.

Оптический квантовый магнитометр на NV-центрах в кристалле алмаза работает следующим образом.

Датчик магнитометра изначально ориентируют так (см. фиг. 3), чтобы его главная ось (ось z) по возможности была параллельна вектору измеряемого магнитного поля В₀ (при этом ϕ₁=0, ϕ₂=ϕ₃=ϕ₄=70.53°, где ϕ_i - угол между осью i-го NV-центра и вектором полного магнитного поля В). В дальнейшем параллельность z||В₀ обеспечивается системами обратных связей и процедурами автоматической калибровки. Частота резонанса ОДМР в NV-центре в кристалле 1 алмаза в первом приближении составляет f_i=D₀±Δf_i, где D₀=2,87 ГГц - продольное расщепление, Δf_i - зеемановский сдвиг: Δf_i=(γ/2π)|B|⋅Cos(ϕ_i), где γ=(2π)2,8 МГц/Гс - гиромагнитное отношение, |В| - модуль вектора полного магнитного поля В. Таким образом, зеемановский сдвиг частоты резонанса ОДМР в каждом отдельном NV-центре пропорционален проекции вектора магнитного поля В на ось данного центра. Поперечное расщепление Е приводит к нелинейности зависимости частот резонансов от магнитного поля: f_i=D₀±(Δf_i²+Е²)^1/2. В области малых, в том числе земных магнитных полей, для которых Δf_i≤Е, это приводит к снижению (вплоть до полного подавления) чувствительности ОДМР к магнитному полю; для решения этой проблемы используются большие (порядка 5-10 Гс) магнитные поля смещения B₁. В результате полное магнитное поле В=В₀+B₁. Когда z||В₀, зеемановский сдвиг Δf₁ частоты одного резонансного триплета (22 и 25 на фиг. 4) оказывается максимально возможным и пропорциональным модулю измеряемого поля В₀ (для ориентации i=1 ϕ₁=0, следовательно, Δf₁=(γ/2π)|В|), а частотные сдвиги трех остальных резонансных триплетов для которых i=2, 3, 4, оказываются втрое меньше и совпадают между собой: Δf₂=Δf₃=Δf₄=(γ/2π)|B|⋅Cos(ϕ_i)=Δf_i/3 (23 и 24 на фиг. 4). В результате наблюдаемый спектр состоит всего из двух хорошо разрешенных триплетов: одиночного (i=1; 22 и 25 на фиг. 4) и слитного (i=2, 3, 4; 23 и 24 на фиг. 4). Сдвиг Δf_i в первом приближении не зависит от малого угла ϕ₁, поэтому величина Δf₁ используется для измерения продольной компоненты полного магнитного поля B_z≈|В| (проекция полного магнитного поля на ось z). Процедура измерения магнитного резонанса является стандартной: на СВЧ индуктор 8 подается напряжение с управляемых генераторов 14, 15 (Г1 и Г2) через смеситель 16; на кристалл 1 алмаза подается излучение оптической накачки; флуоресценция NV-центров в кристалле 1 алмаза детектируется фотоприемником 4. Частота f_g1 генератора 14 Г1 модулирована во времени по синусоидальному закону на частоте f_m1 (частота модуляции, необходимая для реализации метода синхронного детектирования) и сканируется в окрестности частоты f₁. Из сигнала флуоресценции в блоке 10 обработки сигналов выделяется сигнал на частоте f_m1, из которого методом синхронного детектирования и фильтрации выделяется сигнал ошибки S₁. Этот сигнал либо подается на управляющий вход генератора 14 Г1, привязывая частоту f_g1 к центру одиночного триплета (22 и 25 на фиг. 4), либо подается на управляющий вход генератора тока соленоида 5. В любом случае обеспечивается равенство f_g1=f₁. Исходя из значения f_g1, определяется величина компоненты полного поля B_z, после чего определяется B_0z=B_z-B_1z (B_0z и B_1z - проекции на ось z полей В₀ и B₁). Поскольку вращающееся поперечное магнитное поле B_r всегда перпендикулярно оси NV-центров, для которых i=1, оно не оказывает влияния на результат измерения продольной проекции B_0z измеряемого магнитного поля В₀.

Для устранения ошибок измерения продольной компоненты магнитного поля, связанных с дрейфами параметров кристалла алмаза и его окружения, а также с дрейфами частоты генератора 14 Г1, можно использовать балансную схему - то есть одновременно генерировать две частоты f_g1±=D₀±Δf_i, соответствующие переходам на магнитные подуровни m_s=±1 и измерять их разность, не содержащую слагаемое D₀. Эта процедура также является стандартной.

Новизна способа измерения угла отклонения вектора магнитного поля В₀ заключается в том, что на систему накладывается небольшое магнитное поле B_r, вращающееся в плоскости 0ху с частотой f_m2. Существенное отличие от известных способов заключается в том, что чувствительность NV-центров, для которых i=2, 3, 4 и ϕ_i=70,53°, к магнитному полю, вектор которого лежит в плоскости 0ху, составляет Sin(ϕ_i)=0.94 от максимально возможной, поэтому поле B_r в течение каждого периода вращения будет поочередно изменять сдвиги Δf₂, Δf₃, Δf₄, что будет отражаться на положении и форме слитного резонансного триплета (23 и 24 на фиг. 4). При этом, чем больше будет поперечное отклонение магнитного поля ΔВ₀ в направлении какой-либо группы NV-центров, тем больше будет отклик порождаемого этой группой резонанса в те моменты времени, когда B_r||ΔВ₀. Зная зеемановский сдвиг Δf₁, можно вычислить средний зеемановский сдвиг слитного триплета: Δf_mean=(Δf₂+Δf₃+Δf₄)/3=(Δf₁)/3. Зная частоту Δf_mean, можно установить частоту генератора 15 Г2 так, чтобы она совпала со склоном слитного триплета (23 и 24 на фиг. 4): f_g2=D₀±(Δf_mean+Δf_tripl), где Δf_tripl - эффективная полуширина триплета (23 и 24 на фиг. 4). Таким образом, будет установлена максимальная чувствительность суммарного сигнала флуоресценции к поперечным компонентам магнитного поля. Из сигнала флуоресценции в блоке 10 обработки сигналов выделяется сигнал на частоте f_m2, из которого методом синхронного детектирования с тремя сдвинутыми по фазе на 120° опорными сигналами (фазы опорных сигналов совпадают с теми фазами, в которых направление вектора B_r совпадает с проекциями осей i=2, 3, 4 на плоскость 0ху) и фильтрации выделяются три сигнала ошибки S₂, S₃, S₄. Комбинируя сигналы, зарегистрированные в трех фазах вращения, можно выделить сигналы S_x и S_y, пропорциональные компонентам B_0x и В_0у измеряемого поля В₀: S_x=(2/√3)⋅(S₄-S₂), S_y=(4/3)⋅(S₃-(1/2)⋅(S₂+S₄). Выбранные комбинации сигналов S₂, S₃, S₄ обеспечивают отсутствие зависимости результата от общей аддитивной добавки. Для увеличения отношения сигнал/шум вращение поля B_r можно заменить его переключением между этими тремя дискретными фазами. Сигналы S_x и S_y после усиления и фильтрации подаются либо на соответствующие катушки 6, 7 Гельмгольца, либо на управляющие входы поворотного механического устройства в виде платформы; таким образом, осуществляется обратная связь, поддерживающая параллельность оси z и вектора В₀. В первом случае выходным сигналом оптического квантового магнитометра, помимо частоты f_g1, являются величины токов в катушках 6, 7 Гельмгольца, во втором - направление главной оси прибора, которое может измеряться как оптическими, так и механическими средствами.

Основным источником систематических ошибок и дрейфов в настоящей схеме является несоосность соленоида 5, и, следовательно, сильного магнитного поля B₁ с осью прибора, а также дрейф модуля магнитного поля B₁, обусловленный изменениями параметров соленоида 5. Для компенсации этих ошибок предлагается периодически переключать направление тока в соленоиде 5 и сравнивать показания магнитометра по осям х, у и z, вводя в катушки 6, 7 Гельмгольца дополнительные токи, компенсирующие несоосность, а в соленоид 5 - ток, компенсирующий дрейф модуля поля B₁.

Сходным образом компенсируется ошибка, связанная с неточным определением положения кристалла 1 по отношению к оси прибора. Для измерения этой ошибки требуется сравнивать показания, полученные при повороте датчика А на 180° (аналогичная процедура широко используется при калибровке феррорезонансных датчиков магнитного поля).

Оценки чувствительности настоящего магнитометра были получены расчетным путем. Было показано, что для кристалла 0,1×0,3×0,3 мм³ при интенсивности накачки 15 мВт в предлагаемой нами схеме при магнитном поле смещения |B₁|=5 Гс может быть достигнута чувствительность к продольной компоненте магнитного поля δB_z=1,3 нТл/√Гц, чувствительность к поперечной компоненте поля δВ_ху=1,33 нТл/√Гц, и угловая чувствительность 27 мкрад, или 5,5 угловых секунд.

Основным преимуществом настоящего изобретения является высокая точность измерения направления вектора магнитного поля, обусловленная аксиальной симметрией схемы, отсутствием искажений и переналожений контуров резонансов ОДМР.

Пример. Был изготовлен трехкомпонентный оптический квантовый магнитометр. В качестве датчика был использован кристалл синтетического алмаза марки SDB 1085 60/70 (пластина со сторонами ~0,3×0,3 мм и толщиной ~0,1 мм и объемом ~0,01 мм³), облученный электронным пучком интенсивностью 5×10¹⁸ эл/см² и отожженный в течение двух часов в атмосфере аргона при температуре 800°С. Источником лазерного излучения для осуществления оптической накачки являлся лазерный модуль с выходной мощностью 15 мВт и длинной волны излучения 532 нм, являющийся представителем группы твердотельных лазеров с диодной накачкой. Оптическая схема прибора включала в себя полупрозрачное зеркало с небольшим коэффициентом пропускания, дихроичное зеркало, отражающее излучение накачки и пропускающее излучение флуоресценции, короткофокусные линзы, фокусирующие излучение накачки на торец световода и излучение флуоресценции на регистрирующий фотодетектор, красный светофильтр перед регистрирующим фотодетектором. Ввод излучения оптической накачки в кристалл, а также вывод излучения флуоресценции с него, был реализован посредством кварцевого световода с диаметром сердцевины 0,9 мм. Кристалл был закреплен на торце световода оптически прозрачным клеем и покрыт диэлектрическим светоотражающим покрытием. Для регистрации сигнала была реализована балансная схема с использованием двух фотодетекторов (опорный и регистрирующий) на базе кремниевых фотодиодов и самодельный синхронный детектор с фазовращателем, реализованный на макетной плате, расположенной на текстолитовом основании и помещенный в металлический корпус. В качестве источника СВЧ излучения был использован СВЧ синтезатор, выходная мощность которого была усилена до 12 дБм СВЧ усилителем. СВЧ индуктор представлял собой намотанную на световод на расстоянии ~2 мм от кристалла катушку из трех витков медного провода диаметром 3 мм с балластным сопротивлением 50 Ом. Для создания магнитных полей были использованы соленоид и компактная система из трех пар катушек Гельмгольца, позволяющая удаленно контролировать направление магнитного поля в телесном угле 4/7 и контролировать величину его модуля в пределах 0-1 мТл.

Изобретение относится к области измерения магнитного поля. Сущность изобретения заключается в том, что трехкомпонентный оптический квантовый магнитометр на азотно-вакансионных центрах окраски в кристалле алмаза содержит оптическую систему сбора флуоресцентного излучения NV-центров в алмазе, устройство генерации магнитного поля, выполненное в виде соленоида, двух поперечных катушек Гельмгольца, трех управляемых генераторов токов, подаваемых соответственно на соленоид и поперечные катушки Гельмгольца, источник СВЧ-излучения, выполненный в виде двух управляемых генераторов СВЧ-излучения, соединенных через смеситель с СВЧ-индуктором, при этом главной осью чувствительности магнитометра является одна из четырех возможных ориентаций NV-центров в алмазе, с которой совпадает ось соленоида, ось поперечных катушек Гельмгольца, оптическая ось устройства ввода излучения оптической накачки и оптическая ось системы сбора и фильтрации флуоресцентного излучения NV-центров в алмазе. Технический результат – повышение точности измерения величины и направления магнитного поля с сохранением малых размеров датчика. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Трехкомпонентный оптический квантовый магнитометр на азотно-вакансионных центрах окраски в кристалле алмаза, включающий квантовый датчик в виде кристалла алмаза с кубической структурой с четырьмя тетраэдрическими осями, содержащий азотно-вакансионные центры окраски (NV-центры), ориентированные вдоль каждой из четырех тетраэдрических осей кристалла, источник СВЧ-излучения для создания в кристалле СВЧ-поля регулируемой частоты СВЧ-индуктором, источник излучения оптической накачки с длиной волны, вызывающей флуоресцентное излучение NV-центров, устройство ввода излучения оптической накачки, устройство генерации магнитного поля, фотоприемник с фильтром для измерения общей мощности флуоресцентного излучения NV-центров в алмазе и блок обработки сигналов, отличающийся тем, что магнитометр включает оптическую систему сбора флуоресцентного излучения NV-центров в алмазе, устройство генерации магнитного поля, выполненное в виде соленоида, двух поперечных катушек Гельмгольца, трех управляемых генераторов токов, подаваемых соответственно на соленоид и поперечные катушки Гельмгольца, источник СВЧ-излучения выполнен в виде двух управляемых генераторов СВЧ-излучения, соединенных через смеситель с СВЧ-индуктором, при этом главной осью чувствительности магнитометра является одна из четырех возможных ориентаций NV-центров в алмазе, с которой совпадает ось соленоида, ось поперечных катушек Гельмгольца, оптическая ось устройства ввода излучения оптической накачки и оптическая ось системы сбора и фильтрации флуоресцентного излучения NV-центров в алмазе.

2. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что содержит поворотное механическое устройство в виде платформы, управляемое сигналами с квантового датчика, для обнуления угла между главной осью чувствительности магнитометра и вектором измеряемого магнитного поля.

3. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что источник излучения оптической накачки выполнен в виде лазерного диода.

4. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что источник излучения оптической накачки выполнен в виде твердотельного лазера.

5. Магнитометр по п. 1, отличающийся тем, что источник излучения оптической накачки выполнен в виде светодиода.