基于缺陷中心的传感器

1.本发明涉及一种基于缺陷中心的传感器，诸如磁力计、静电计或温度计，特别是可用作磁力计的金刚石传感器中的氮空位中心。


背景技术：

2.利用金刚石中的氮空位(nv)缺陷的磁力计可以用作检测弱磁场的传感器。在许多应用中，期望有一种远程的、可移动的传感器头和单独的仪器。传感器和仪器可以经由光纤或通过自由空间连接。已经证明了基于光纤耦合的nv金刚石的磁力计具有高达30nt/√hz的灵敏度，而自由空间型式已实现了d.c.场的15pt/√hz和a.c.场的0.9pt/√hz的灵敏度。
3.l.rondin等人的《利用金刚石中的氮空位缺陷的磁力测定(magnetometry with nitrogen
‑
vacancy defects in diamond)》,《物理进展报告(reports on progress in physics)》,第88卷,第056503页(2014)对使用金刚石中的氮空位缺陷进行磁力测定进行了综述。
4.参考s.m.blakley等人：《通过对金刚石中的氮空位中心中的磁共振的时空差分光学检测进行光纤矢量磁场梯度测量(fiber
‑
optic vectorial magnetic
‑
field gradiometry by a spatiotemporal differential optical detection of magnetic resonance in nitrogen
–
vacancy centers in diamond)》,《光学快报(optics letters)》,第41卷,第2057至2060页(2016)；j.f.barry等人：《使用金刚石中的量子缺陷对单神经元动作电位进行光学磁检测(optical magnetic detection of single
‑
neuron action potentials using quantum defects in diamond)》,《美国国家科学院院刊(proceedings of the national academy of sciences of the united states of america)》,第113卷,第14133至14138页(2016)；以及t.wolf等人：《subpicotesla金刚石磁力测定(subpicotesla diamond magnetometry)》,《物理评论x(physical review x)》,第5卷,第041001页(2015)。


技术实现要素：

5.根据本发明的第一方面，提供了一种传感器，所述传感器包括仪器，所述仪器包括：发生器，所述发生器用于在有源元件(例如，金刚石)中引起激发(诸如光激发)；和检测器，所述检测器用于测量所述有源元件中的跃迁(诸如荧光)。所述发生器是光源(诸如二极管激光器形式的激光器)和/或所述检测器是光检测器(诸如二极管光检测器)。所述传感器还包括光波导(诸如光纤)和传感器头，所述传感器头经由所述光波导与所述源和/或所述检测器通信。所述传感器头容纳有：具有至少一个缺陷中心(诸如氮空位)的所述有源元件；和信号递送布置结构(诸如一个或多个透镜)，所述信号递送布置结构被布置成将所述光波导光耦合到所述有源元件。
6.所述至少一个缺陷中心可以响应于施加的磁场、电场和/或温度。因此，所述传感器可以用作磁力计、静电计和/或温度计。
7.所述传感器可以被布置成激发和测量多个缺陷中心，即缺陷中心的系综。
8.所述传感器头可以是移动的或固定的。所述传感器头可以远离所述仪器(例如，间隔至少1m、至少10m或至少1km)。
9.优选地，所述源和所述检测器都是光学的，即，所述源是光源并且所述检测器是光检测器。
10.磁力计可以使用光波导和自由空间传输光。对激发和收集两者使用相同的信号递送系统(例如，一组透镜)可以提供较高的激发强度和/或可以允许使用较小的有源元件，这进而可以提高空间分辨率以及减少所需的金刚石材料的量。信号递送系统还可以帮助将荧光耦合到光波导中，因而提高灵敏度。尽管对两者使用相同的信号递送系统，但该布置结构在检测信号时可以实现相对于激发的数值孔径更高的数值孔径，从而允许激发更大的体积同时维持良好的收集效率。
11.信号递送布置结构优选地包括至少一个透镜，并且更优选地包括两个或更多个透镜。透镜可以是透射透镜(这种类型的透镜通俗地简称为“透镜”)、反射镜透镜或光栅透镜。如果使用多于一个的透镜，则这些透镜可以都是相同类型的或者可以是两种或更多种不同类型的透镜的混合。
12.可以省略信号递送布置结构，即，光波导可以直接耦合到有源元件。可以使用光学透明粘合剂。
13.所述至少一个透镜可以包括至少两个透镜，所述至少两个透镜包括：第一透镜，所述第一透镜用于准直来自所述光波导的光；和第二透镜，所述第二透镜用于将光聚焦到所述有源元件上。
14.所述有源元件可以具有被布置成从所述至少一个透镜和其他表面接收光的表面，所述其他表面中的至少一些表面设置有用于回射未被吸收的光的反射结构。所述表面可以设置有围绕所述表面的外周边缘的反射结构以限定中心窗口。所述反射结构包括涂层。所述涂层可以包括金属涂层。所述涂层可以包括一层、两层、三层或更多层。所述涂层可以包括钛层。所述涂层可以包括银层。所述涂层可以包括金层。所述反射结构包括光栅。
15.所述传感器还可以包括固体浸没透镜，所述固体浸没透镜与所述有源元件直接接触或与所述有源元件形成为单件，所述固体浸没透镜被布置成将来自所述至少一个透镜的光耦合到所述有源元件中。
16.所述光波导可以是光纤。所述光纤可以是空心光纤。
17.所述传感器还可以包括微波源，所述微波源被布置成激发所述有源元件。如果传感器头远离仪器定位，则微波源可以就地提供给传感器头。微波源可以由本地电源或由远程电源供电。微波源可以远离传感器头，其中使用微波线缆将微波激发送至有源元件。
18.所述传感器还可以包括锁定放大器，所述锁定放大器被布置成从所述光检测器接收信号。这可以用于连续波测量。
19.所述传感器可以被配置成以脉冲模式操作来运行。
20.根据本发明的第二方面，提供了一种基于缺陷中心的传感器成像系统。所述系统包括：仪器，所述仪器包括至少一个发生器和至少一个检测器，所述至少一个发生器用于在有源元件中引起激发，所述至少一个检测器用于测量所述有源元件中的跃迁，其中所述至少一个发生器是光源和/或所述至少一个检测器是光检测器；至少一个光波导；和传感器
头，所述传感器头经由所述光波导与所述源和/或所述检测器通信。所述传感器头容纳有：有源元件阵列或有源元件中具有至少一个响应于施加的磁场的缺陷中心的区域的阵列；和至少一个信号递送布置结构，所述至少一个信号递送布置结构被布置成将所述光波导光耦合到所述有源元件。
21.所述至少一个缺陷中心可以响应于施加的磁场、电场和/或温度。因此，所述成像系统可以用于磁力测定、测电术和/或温度测量成像。
22.根据本发明的第三方面，提供了一种结合有所述传感器的所述传感器头或所述成像系统的物品。
23.所述物品可以是：一件家具，诸如座椅、椅子或床；一件家具的可移除部分，诸如垫子、床垫或床单；壁或门；相机；配件，诸如手表或珠宝；或通信设备，诸如移动电话或平板电脑。所述物品可以是一件衣物或医用敷料。
24.根据本发明的第四方面，提供了一种使用所述传感器或所述成像系统的方法，所述方法包括：将所述传感器头部署在远离所述仪器的位置。
25.所述位置可以每年受到超过50msv的电离辐射。所述位置可以是磁屏蔽室。
26.根据本发明的第四方面，提供了一种磁感应断层摄影的方法，所述方法包括：对样品施加时变磁场；以及使用所述传感器测量来自所述样品的感应响应。
27.光辐射具有的范围为100nm至1mm之间(即包括uva、uvb和uvc紫外线波长和红外线波长)。优选地，激发和荧光发生在200nm至2μm之间、更优选地在400nm至1.1μm之间的范围内。例如，所述范围可以在530nm至800nm之间。
附图说明
28.现在将参考附图通过示例的方式描述本发明的某些实施方式，在附图中：
29.图1是金刚石中的氮空位中心的能级图，显示了自旋量子数、振动能级、自旋守恒跃迁以及非辐射、非自旋守恒跃迁；
30.图2是基于氮空位中心的传感器的示意性框图，该传感器包括传感器头、光纤和仪器；
31.图3更详细地例示了图2所示的仪器和光纤；
32.图4显示了在第一磁场和第二磁场下的光学检测磁共振图；
33.图5例示了激光器、检测器、光纤和传感头的布置结构；
34.图6更详细地例示了图5所示的传感器头；
35.图7例示了具有反射结构的样品；以及
36.图8例示了设置有固体浸没透镜的样品。
具体实施方式
37.在以下描述中，相同的部件由相同的附图标记表示。
38.介绍
39.可以通过探查金刚石中的氮空位(nv)中心的系综来实现磁感测。
40.图1是金刚石中氮空位中心1的能级图，显示了能级21、22、23、24、25、26及它们对应的自旋量子数、振动能级3、自旋守恒跃迁41、42、43和非辐射、非自旋守恒51、52、53、54。
41.参考图1，nv中心1是金刚石中的光学活性点缺陷，在其负电荷状态nv
–
中包含s＝1的基态电子自旋。可以通过光泵浦到m
s
＝0的基态流形中来初始化自旋，并且光激发也产生自旋相关的荧光强度，从而引起光学检测磁共振(odmr)的可能性。光泵浦与odmr的组合引致一种用于在nv
‑
中心中对电子zeeman共振进行高信噪比检测的方案。虽然传统的电子自旋共振方法具有的灵敏度为大约≥109自旋，但利用odmr可以检测到单个自旋。对于n个中心的系综，灵敏度提高为1/√n。
42.在零施加磁场中，0和
±
1状态被零场分裂分裂为d≈2.87ghz。zeeman子能级分裂为γ
e
b
||
，其中是旋磁比，b
||
是外部磁场在nv
‑
对称轴(<111>晶向)上的投影，g
e
≈2是nv
‑
g因子，μ
b
是bohr磁子，并且是约化planck常数。通过电子自旋和
14
n核自旋(i＝1)之间的超精细相互作用进一步分裂能级a≈2.16mhz。nv中心在1042nm处具有nir跃迁43。
43.可以使用金刚石中位于近红外中的其他缺陷，诸如硅空位。可以使用分别在740和946nm处光致发光的负电荷状态或中性电荷状态。
44.可以使用其他类型的缺陷，诸如色心，和/或其他材料，诸如碳化硅。优选地，该材料是单晶，然而也可以使用多晶或纳米晶材料。
45.测量
46.图2示出了传感器系统11(本文简称为“传感器”)。
47.参考图2和图3，系统11包括传感器头12，传感器头容纳有：有源元件13，该有源元件包含缺陷中心1的系综14，在这种情况下，缺陷中心的系综采取具有nv
‑
中心的金刚石的形式；和信号递送布置结构15(图5)，该信号递送布置结构采取一对透镜的形式。系统11包括呈光纤形式的波导16，特别是光波导。系统11还包括仪器17，该仪器包括：信号源18，该信号源用于生成用于激发有源元件13的激发信号19；和信号检测器20，该信号检测器用于测量从有源元件接收到的响应信号21。如将更详细地解释的，信号19、21之一或两者是光信号。在这种情况下，使用激光器和光电二极管。
48.信号检测器20可以被布置成执行差分测量，并且包括第一检测器元件pd1和第二检测器元件pd2并输出信号24。仪器17可以包括接收输出信号24的锁定放大器25。仪器17可以包括用于生成微波信号26的微波源25，该微波信号由微波递送结构27发射。系统11由计算机系统28控制。
49.金刚石13中的nv
‑
中心1的系综14被来自激光器18的非共振532nm激光19激发(然而也可以使用波长在510至540nm之间的范围内的光)，并且宽带荧光21是从637nm至800nm处的零声子线发射的，其从声子边带发出。来自激发态的m
s
＝
±
1流形的衰减更有可能通过系统间交叉发生，系统间交叉优先填充基态的m
s
＝0流形，从而引起自旋极化。通过这种系统间交叉的衰减在可见光范围内也是非辐射的，从而当微波与基态或激发态电子自旋跃迁共振时引起nv
‑
荧光特征性降低。
50.荧光21由检测器29的第一光电二极管pd1检测。平衡检测器以thorlabs pdb450a的形式使用。大约1％的激光19被分束器31从主光束中拾取，以经由反射镜32照射第二光电二极管pd2。二向色镜33用于将绿色激发光19与红色荧光光21分离。中性密度滤光片34用于确保在没有微波激发的情况下每个光电二极管pd1、pd2上的照度水平相同。减法器22用于计算两个信号19、21的差值，并将该差值馈入放大器23。平衡检测器21的输出是以105的增
益放大的两个信号19、21的差值，在激光和荧光之间提供高达20db的共模噪声抑制。
51.微波激发27在f
mod
＝48khz处被调频(fm)为具有幅值f
dev
＝400khz，其由agilent n5172b微波源形式的微波源16生成。这在微波激发与自旋跃迁共振时引起平衡检测器21信号在f
mod
处被调幅。在zurich instruments mfli锁定放大器(lia)25上检测到平衡检测器信号20，其时间常数为50μs并且滤波器斜率为48db/倍频程，从而引起磁力测定带宽f
bw3db
＝1khz。
52.参考图4，当扫描微波频率时，作为频率调制和lia检测的结果，获得具有导数线形状的odmr谱39。
53.最佳操作点是微波频率固定为zeeman共振的最大斜率的位置，这对于导数线形状而言是共振频率处的零交叉点。此处，传感器响应在的范围内呈线性，其中γ
fwhm
≈2π
×
1mhz是共振的半峰值线宽处的全宽。通过动态锁定共振，可以显著扩展线性度，这也消除了温度漂移。
54.磁场b的变化引起odmr共振(实线)偏移，从而引起odmr共振(虚线)偏移。固定的微波激发频率f
mw
从lia产生输出信号v0，该输出信号随着共振偏移增加到v1，从而引起lia输出信号发生δv＝v1‑
v0的变化。
55.样品
56.样品13是单晶高压高温(hpht)合成金刚石(从元素六公司(element six)获得)。首先对样品13进行电子照射，然后在氮气环境(埋入牺牲金刚石砂砾中)下在400℃下退火四小时、在800℃下退火两小时以及在1200℃下退火两小时。暴露于uv光之后，通过电子顺磁共振(epr)和fourier变换红外光谱(ftir)的组合测量样品的缺陷浓度，其汇总在下表1中。
57.表1
[0058][0059]
通过epr测量
[0060]
通过ftir测量
[0061]
通过odmr测量
[0062]
氮空位的浓度nv
‑
在万亿分之1(ppt)至百万分之100之间的范围内。氮空位的浓度nv
‑
优选地在十亿分之10(ppb)至50ppm之间的范围内，并且更优选地在100ppb至10ppm之间的范围内。对于这些范围，预计存在的单一置换氮杂质通常多2至500倍。可以使用较低浓度(例如，小于1ppt)nv
‑
的氮空位，这可以用于单个基于nv的传感器。
[0063]
在使用非同位素富集金刚石的一些实施方式中，氮空位的浓度nv
‑
优选地在0.5和2ppm之间的范围内，并且单一置换氮的浓度n
s
在1至10ppm之间的范围内。这种范围组合可有助于增加信号(由于较高的nv浓度)，但不会高到偶极相互作用扩大odmr共振的程度。对于给定的磁场变化，较宽的线引起电压变化较小。对于单一置换氮，n
s
浓度低于约1至10ppm，共振线宽受到以下事实的限制：1.1％的碳原子是具有核自旋的
13
c。如果使用
12
c富
集的金刚石，则这可以允许使用略低的浓度。
[0064]
传感器
[0065]
参考图5和图6，样品13被胶合到铝背衬印刷电路板27上，该印刷电路板既用作散热器又用作微波递送结构。样品13位于导电中心轨道(未示出)和共面波导(未示出)的接地平面之间的电短路(未示出)的顶部，从而确保nv
‑
系综和微波发射器之间的距离为<0.3mm。
[0066]
光学系统40包括信号递送系统15(本文称为透镜系统)和光纤16。透镜系统15被容纳在传感器头封装件12中。光纤16既递送532nm激光激发19又收集激光感生荧光19。光纤16具有0.22的数值孔径(n.a.)和400μm纤芯直径的纤芯直径。它以陶瓷插芯41终止，该陶瓷插芯被保持在由基板43支撑的夹具42中。在这种情况下，透镜系统15包括分别具有焦距f1＝20mm和f2＝8mm的两个透镜44、45。第一透镜44将激光19准直至大约9mm的直径，并且第二透镜45以n.a.≈0.17聚焦光。第二透镜45收集n.a.为0.23的激光感生荧光10，然后将其聚焦到n.a.为0.27的光纤中，这由于荧光的最外部射线落在光纤的临界角之外而引起20％的损失。这种布置结构在收集中实现了比激发更高的数值孔径，从而允许更大体积的nv
‑
中心被激发，同时仍然维持高收集效率。
[0067]
参考图3，如前所述，大约1％的激光被分束器31拾取以形成参考光束，该参考光束被反射镜31反射到平衡检测器20的光电二极管pd2之一上。剩余的激光穿过短通二向色镜33并通过透镜36耦合到光纤中。光纤将激光激发引导至传感器头12，从而引起经由相同光纤被引导返回的光致发光(pl)。光致发光由透镜36从光纤中准直，并由二向色镜33反射。光致发光由反射镜35反射通过长通滤波器34以拒绝泄漏到检测臂中的不需要的激光。透镜36将光致发光聚焦到平衡检测器的另一个光电二极管pd1上。平衡检测器放大来自两个光电二极管的信号的差值。
[0068]
传感器头封装件12优选地包括偏置磁场源46，例如，其呈永磁条磁体的形式。例如0.5至2mt的偏置磁场可有助于分裂能级并因此提高灵敏度。
[0069]
0.3至1mw之间的荧光入射到第一光电二极管pd1(图2)上，该第一光电二极管在没有微波的情况下产生2.5v的信号。由此，假设辐射寿命为12ns，对信号有贡献的nv
‑
中心的数量估计为约108个，这表明很大一部分贡献来自于焦点本身外部的nv
‑
中心。如此大量的中心对于较高的灵敏度是可取的；然而，由于光纤纤芯直径较大，潜在的空间分辨率为4μm而不是1μm。通过选择较小的纤芯尺寸，可以以光子检测率(灵敏度)为代价来提高空间分辨率。
[0070]
样品13通常采取材料块或板的形式。例如，样品可以具有0.1至0.3mm之间的厚度t，但可以更厚或更薄或具有不同的形状，诸如半球。样品13可以具有大约0.5至2mm之间的宽度w和长度l或直径d。样品13的体积v可以在10μm3至2mm3之间。优选地，体积小(例如，大约10μm3或100μm3的大小)以降低成本。样品13优选地是单晶的。然而，它也可以是多晶的。
[0071]
增加光强度
[0072]
可以使用一种或多种特征来增加激光激发和随后的激光感生荧光的光强度。
[0073]
参考图7，样品13(呈金刚石板的形式)具有：主表面47(或“面”)，激光被引导通过该主表面；和其他表面48、49，所述其他表面可以采取相反面48和侧面49的形式。所述其他表面49中的一些表面、优选所有表面设置有反射结构50。可选地，主表面47的外周边缘部分51也可以被涂覆而留下窗口52。
[0074]
反射结构50优选地采取反射涂层的形式，该反射涂层由合适的材料形成，诸如钛(ti)或银(ag)，其厚度为100nm至1μm之间，其回射未被吸收的激光和一些在透镜系统的接受角53之外发射(否则会在光检测之前逸出)的荧光。反射涂层可以包括单层材料或多层(例如双层或三层)，例如，包括不同材料的第一和第二交替层。三层可以包括钛、银和金。例如，可以在金刚石上沉积一层5nm的钛薄层作为粘接层。然后可以使用更厚的1μm银层，因为它对绿光和红光具有良好的反射性，而且银比钛便宜。最后，可以使用诸如金的覆盖层来防止银氧化。主表面47可以类似地在围绕外周的环形区域51中金属化，其中窗口52(诸如圆形或矩形窗口)未被金属化以允许通过该窗口进行光激发和检测。
[0075]
反射结构29可以包括形成在表面27、28上的光栅或其他结构。反射结构29可以采取表面图案的形式，诸如光栅，即表面27、28被图案化。
[0076]
参考图8，样品8可以在金刚石13的主表面47上设置有固体浸没透镜54以增加系统的有效数值孔径，并减少激发光和荧光光在空气/金刚石界面的反射。固体浸没透镜54可以由与包含缺陷的材料(即样品13)相同的材料形成。优选地，固体浸没透镜54和样品13是单件。可以加工工件(未示出)，例如，使用聚焦离子束或反应离子蚀刻，以形成单件。固体浸没透镜54的直径优选地在1至500微米之间的范围内。
[0077]
使用这些特征中的一个或多个，金刚石磁力计可以通过小型的且可移动的光纤耦合传感器头实现亚nt/√hz的灵敏度。这种传感器可以用于多种应用，诸如检测高辐射环境中的钢管腐蚀(即在电离辐射水平较高的情况下，例如每年超过50msv、每年超过5sv或甚至每小时超过5sv)以及用于医疗应用，诸如心磁描记术。
[0078]
应用
[0079]
放射性环境中钢材的无损检测
[0080]
金刚石是抗辐射的。因此，使用光纤和同轴线缆将控制仪器和光学器件与传感器头分开的优点是避免可能容易损坏的部件暴露于电离辐射。空心光纤可以用于扩展传感器头承受辐射的能力。
[0081]
因此，本文所述的磁力计可以用于在具有高放射性的环境(诸如核反应堆和核废料贮存器)中发现钢结构(诸如管道)中的腐蚀、开裂和损坏。
[0082]
心磁描记术
[0083]
对由心动周期产生的磁场进行的检测被称为心磁描记术(mcg)。它是心电描记术(ecg)的磁性模拟。mcg的益处在于来自心脏的磁场不会被身体扭曲。ecg信号还受电极的定位和接触质量的影响，而mcg传感器不需要接触。光纤耦合金刚石传感器具有的益处是具有轻便且可移动的传感器头或传感器阵列，其可以在各种环境中轻松放置在患者身上，诸如在病床边或在磁屏蔽房间内，并且控制单元可以留在外面以免对屏蔽功能产生不利影响。mcg系统的其他可能用途有集成到座椅和床中用于预防性医疗应用。座椅和床是mcg系统的理想位置，因为它们靠近患者的背部或胸部，进而靠近心脏。包含mcg系统的汽车座椅将能够检测车主独有的心脏特征，作为指纹或虹膜扫描的替代方案。
[0084]
磁感应断层摄影
[0085]
磁感应断层摄影(mit)可以用于探查样品，其中对样品施加ac或脉冲磁场，并用磁力计记录样品的磁响应。希望能够施加强磁场，以便能够从样品中引起强烈响应。然而，迄今为止使用的所有敏感磁力计(诸如原子蒸气室、磁通门和squid)所具有的动态范围都较
差(例如，低于约为0.065mt的地球典型磁场)。一些灵敏的磁力计(诸如squid)在大磁场中停止工作，而其他磁力计则对磁场不敏感。这阻碍了mit的全部潜力。
[0086]
由于nv磁力测定的大动态范围(例如1t)，诸如本文所述的nv中心金刚石磁力计特别适用于mit。这可以允许在将大ac或脉冲磁场施加于样品的整个过程中收集数据。1至10mt之间的脉冲磁场是优选的，因为它足够大以引起样品的大响应，但又不会大到难以产生。
[0087]
此外，mit基本上是一种需要检测高于dc的频率下的磁场的技术。实际上，高于100hz的频率将是最有用的。虽然某些磁力计在dc时具有的灵敏度与ac时一样好或更好，但诸如本文所述的nv磁力计在较高频率下具有更好的灵敏度，因为它们可能会受到1/f噪声的影响(即使使用锁定放大器)，并且有一些技术使它们仅对感兴趣的特定频率(即mit激发的频率)敏感，使得只有该频率下的噪声才有问题。
[0088]
可以使用带有采用所谓“qdyne”(或“相干平均同步读数”或“量子锁定”)的nv磁力计的ac磁力计。这可以有助于提高灵敏度并大大提高频率分辨率。参考s.schmitt等人：《利用纳米级量子传感器进行的亚毫赫兹磁光谱分析(submillihertz magnetic spectroscopy performed with a nanoscale quantum sensor)》,《科学(science)》,第356卷,第832至837页(2017)。
[0089]
修改
[0090]
将理解的是，可以对上文描述的实施方式进行各种修改。此类修改可以涉及在磁力计及其部件部分的设计、制造和使用中已知的等效和其他特征，并且可以替代或附加于本文已经描述的特征使用所述等效和其他特征。一个实施方式的特征可以由另一个实施方式的特征代替或补充。
[0091]
可以使用数值孔径在0.01至1.5之间的范围内的光纤。优选地，数值孔径可以具有0.05至0.5之间的值。
[0092]
该材料可以是表现出odmr的材料，诸如并五苯，以及表现出晶体、无定形固体、多晶材料或外延层中或表面上的缺陷的材料。合适的材料包括金刚石、二氧化硅、硒化锌和碳化硅。金刚石中的缺陷可以是nv
‑
、硅空位(siv
‑
和siv0)、锗空位(gev
‑
)和锡空位(snv
‑
)。石英中的缺陷可以是自陷态激子。zns中的缺陷可以是a中心受体。sic中的缺陷可以是4h多型体中的硅空位缺陷和中性碳
‑
硅双空位以及6h多型体中的双空位(诸如化学键合硅空位和碳空位)。
[0093]
如果使用金刚石，则可以对金刚石进行同位素纯化以富集c12并减少c13。这可以用于提高灵敏度。
[0094]
可以使用脉冲模式操作代替连续波(cw)操作。脉冲模式操作不需要锁定放大器。使用脉冲模式操作的系统优选地使用较高的激光功率和较高的微波功率(与使用cw操作的系统相比)。例如，优选地使用高于1w的532nm激光功率和高于1w的微波功率。脉冲模式可以通过多种方式提高灵敏度。nv自旋态的初始化和检测发生在激光器开启时，而磁场检测发生在激光器关闭时；这可以有助于降低噪声。此外，脉冲模式允许传感器对特定频率敏感，其噪声较低，因为其他频率下的噪声被拒绝。这种技术被称为“动态去耦光谱”。
[0095]
该系统可以是基于光纤的而没有自由空间传播，这可以有助于减少振动的影响。该系统可以部分地基于光纤并且部分地基于自由空间。
[0096]
该系统可以包括传感器阵列。例如，传感器头可以容纳有源元件的阵列(例如，矩形或六边形阵列)。阵列中的每个有源元件可以与相应的光波导进行光通信。替代地，单个有源元件可以提供间隔开的区域的阵列。可以通过在有源元件的不同区域中使用局部激发和/或通过使用阵列或孔径或固体浸没透镜来定义这些区域。例如，使用扫描镜，可以使用单个光纤来访问有源元件阵列或有源元件中的区域的阵列。
[0097]
可以以非光学方式(例如以电学方式)进行激发。例如，可以电泵浦样品并且可以测量发光。相反，测量可以以非光学方式进行，例如以电子方式进行。例如，可以以光学方式激发样品并以电方式测量样品。可以使用至少两个与样品的电触点以及合适的信号发生器和分析器(例如，参数分析器)来进行电泵浦和电测量。
[0098]
尽管在本技术中已经将权利要求表述为特定的特征组合，但是应当理解的是，本发明的公开范围还包括明确或隐含的本文公开的任何新颖特征或特征的任何新颖组合，或其任何概括，无论它是否与权利要求中要求保护的同一发明有关，以及无论它是否减轻与本发明相同的技术问题。申请人特此通知，在本技术或由此衍生的任何进一步申请的审查进程期间，可以对这些特征和/或这些特征的组合提出新的权利要求。