DE-102024132240-A1 - Fasergekoppelter Quantensensor

Abstract

Die Erfindung betrifft einen fasergekoppelten Quantensensor, der auf dem Farbzentren-Prinzip beruht, mit: einer Sensorschicht (1), in der Farbzentren ausgebildet sind, einem ersten Lichtwellenleiter mit einer ersten numerischen Apertur zum Leiten eines Anregungslicht an die Sensorschicht (1), und mindestens einem zweiten Lichtwellenleiter mit einer zweiten numerischen Apertur zum Zurückleiten eines von den Farbzentren erzeugten Fluoreszenzlichts, wobei die zweite numerische Apertur größer, insbesondere um mindestens den Faktor 2 größer, ist als die erste numerische Apertur.

Inventors

• Roland Nagy
• Johannes Wesseler

Assignees

• Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, in Vertretung des Freistaates Bayern

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241106

Claims (13)

1. Fasergekoppelter Quantensensor, der auf dem Farbzentren-Prinzip beruht, mit: - einer Sensorschicht (1), in der Farbzentren ausgebildet sind, - einem ersten Lichtwellenleiter mit einer ersten numerischen Apertur zum Leiten eines Anregungslicht an die Sensorschicht (1), und - mindestens einem zweiten Lichtwellenleiter mit einer zweiten numerischen Apertur zum Zurückleiten eines von den Farbzentren erzeugten Fluoreszenzlichts, wobei die zweite numerische Apertur größer, insbesondere um mindestens den Faktor 2 größer, ist als die erste numerische Apertur.
2. Quantensensor nach Anspruch 1 , wobei die erste numerische Apertur 0,1 bis 0,2 beträgt und/oder die zweite numerische Apertur 0,3 bis 0,5 beträgt.
3. Quantensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Lichtwellenleiter und der zweite Lichtwellenleiter koaxial zueinander angeordnet sind.
4. Quantensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Leitungsquerschnittsfläche des zweiten Lichtwellenleiters, bzw. eine Gesamtleitungsquerschnittsfläche der zweiten Lichtwellenleiter, größer, insbesondere um mindestens den Faktor 5 größer, ist als eine Leitungsquerschnittsfläche des ersten Lichtwellenleiters.
5. Quantensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Lichtwellenleiter als Kernleitung einer Doppelmantelfaser (2) und der zweite Lichtwellenleiter als Mantelleitung der Doppelmantelfaser (2) ausgebildet.
6. Quantensensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , wobei der erste Lichtwellenleiter ist als Einzelfaser (8) eines Lichtwellenleiterbündels (7) ausgebildet ist und die restlichen Fasern (9-14) des Lichtwellenleiterbündels (7) als zweite Lichtwellenleiter ausgebildet sind.
7. Quantensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem ersten Lichtwellenleiter und der Sensorschicht (1) und/oder zwischen dem zweiten Lichtwellenleiter und der Sensorschicht (1) eine GRIN(Gradient Index)-Linse (20) angeordnet ist.
8. Quantensensor nach Anspruch 7 , wobei die GRIN-Linse (20) ausgebildet ist, das Anregungslicht zu kollimieren oder auf die Sensorschicht (1) zu fokussieren.
9. Quantensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem ersten Lichtwellenleiter und der Sensorschicht (1) und/oder zwischen dem zweiten Lichtwellenleiter und der Sensorschicht (1), beginnend vom ersten bzw. zweiten Lichtwellenleiter in Richtung der Sensorschicht (1), zwei GRIN-Linsen (20) und daran anschließend eine Mikrolinse (22) angeordnet sind.
10. Quantensensor nach Anspruch 9 , wobei die GRIN-Linsen (20) ausgebildet sind, das Anregungslicht zu kollimieren, und die Mikrolinse (22) ausgebildet ist, das Anregungslicht auf die Sensorschicht (1) zu fokussieren.
11. Quantensensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10 , wobei die GRIN-Linse (20) mit einem axialen Ende des ersten und/oder zweiten Lichtwellenleiters verklebt ist.
12. Quantensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorschicht (1) aus einem Diamant mit NV(Stickstoff-Fehlstellen)-Zentren, bevorzugt mit einer NV-Zentren-Dichte von 0,1 ppm bis 100 ppm, besteht.
13. Quantensensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der als Magnetfeldsensor ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen fasergekoppelten Quantensensor, der auf dem Farbzentren-Prinzip beruht. Quantensensoren, die auf dem Farbzentren-Prinzip basieren, werden vorrangig als Magnetfeldsensoren eingesetzt, vor allem bei Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Magnetfeldsensitivität, wie z.B. in der Biomedizin, der Materialwissenschaft und der Quanteninformatik. Derartige Sensoren können jedoch auch zur Bestimmung anderer physikalischer Größen, wie Temperatur und elektrisches Feld, eingesetzt werden. In der funktionalen Sensorschicht derartiger Quantensensoren sind sog. Farbzentren ausgebildet. Ein typisches Beispiel für diese sind NV(Stickstoff-Fehlstellen)-Zentren im Diamant. Es sind jedoch auch andere Farbzentren möglich, z.B.: Silizium-Fehlstellen-Zentren (SiV), Germanium-Fehlstellen-Zentren (GeV), Nickel-Fehlstellen-Zentren (NiV), Chrom-Fehlstellen-Zentren (CrV), Silber-Fehlstellen-Zentren (AgV), Zinn-Fehlstellen-Zentren oder C60-Farbzentren (Fullerene). Die jeweiligen Farbzentren werden mit Anregungslicht einer definierten Wellenlänge bestrahlt und geben eine Fluoreszenzstrahlung, die beispielsweise von dem vorliegenden Magnetfeld abhängt. Diese Fluoreszenzstrahlung wird detektiert und mittels verschiedener Messverfahren ausgewertet, um Aussagen über die zu detektierende Größe zu erhalten. Bei fasergekoppelten Quantensensoren wird das Anregungslicht mit Hilfe einer Lichtleiterfaser an die Sensorschicht herangeführt. Das Fluoreszenzlicht kann dann ebenfalls durch diese Lichtleitfaser zurückstrahlen und - typischerweise nach dem Durchgang durch einen dichroitischen Filter zum Abtrennen des Anregungslichts - einem Detektor zugeführt werden. Um einen möglichst leistungsfähigen und sensitiven fasergekoppelten Quantensensor zu erhalten, ist es nötig, die Farbzentren möglichst effizient anzuregen und zugleich das von den Farbzentren erzeugte Fluoreszenzlicht möglichst vollständig einzusammeln. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders sensitiven fasergekoppelten Quantensensor anzubieten. Diese Aufgabe wird durch einen fasergekoppelten Quantensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben. Der erfindungsgemäße fasergekoppelte Quantensensor, der auf dem Farbzentren-Prinzip beruht, weist auf: eine Sensorschicht, in der Farbzentren ausgebildet sind, einen ersten Lichtwellenleiter mit einer ersten numerischen Apertur (NA) zum Leiten eines Anregungslicht an die Sensorschicht, und mindestens einen zweiten Lichtwellenleiter mit einer zweiten numerischen Apertur zum Zurückleiten eines von den Farbzentren erzeugten Fluoreszenzlichts. Die zweite numerische Apertur ist größer als die erste numerische Apertur. Auf diese Weise erzeugt das Anregungslicht, das durch den ersten Lichtwellenleiter mit geringer NA geführt wird, ein relatives kleines, konzentriertes Anregungsvolumen innerhalb der Sensorschicht. Das Fluoreszenzlicht, das durch den zweiten Lichtwellenleiter zurückgeführt wird, wird aufgrund der großen NA zu einem relativ hohen Prozentsatz aufgesammelt. Insgesamt erhöht sich damit die Sensitivität des Quantensensors im Vergleich zu einem Quantensensor, bei dem das Anregungslicht und das Fluoreszenzlicht durch den gleichen Lichtwellenleiter bzw. durch Lichtwellenleiter mit gleicher NA geführt werden. In bevorzugter Weise ist die zweite numerische Apertur um mindestens den Faktor 2, insbesondere um einen Faktor 2 bis 10, besonders bevorzugt um einen Faktor 2 bis 5, größer als die erste numerische Apertur. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Sensitivität des Quantensensors im Vergleich zu einem Quantensensor, bei dem das Anregungslicht und das Fluoreszenzlicht durch den gleichen Lichtwellenleiter bzw. durch Lichtwellenleiter mit gleicher NA geführt werden, signifikant erhöht. Als besonders vorteilhaft haben sich für die erste numerische Apertur Werte von 0,1 bis 0,2 und für die zweite numerische Apertur Werte von 0,3 bis 0,5 herausgestellt. Der erste Lichtwellenleiter und der zweite Lichtwellenleiter können koaxial zueinander geordnet sein. Insbesondere können die Lichtwellenleiter koaxial zueinander verlaufen und von einer gemeinsamen Ummantelung umgeben sein. Diese vereinfacht den apparativen Aufbau des Quantensensors und verringert den Platzbedarf. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Leistungsquerschnittsfläche des zweiten Lichtwellenleiters - bzw. die Gesamtleitungsquerschnittsfläche der zweiten Lichtwellenleiter, wenn mehr als ein zweiter Lichtwellenleiter vorhanden ist - größer als die Leistungsquerschnittsfläche des ersten Lichtwellenleiters. Durch den relativ geringen Querschnitt des ersten Lichtwellenleiters wird wiederum ein relatives kleines, konzentriertes Anregungsvolumen innerhalb der Sensorschicht erzeugt. Durch den relativ großen Querschnitt des bzw. der zweiten Lichtwellenleiter wird der Prozentsatz, zu dem das Fluoreszenzlicht aufgesammelt wird, weiter erhöht. Damit erhöht sich die Sensi