高灵敏激光阈值磁强计，有望用于医疗健康和疾病检测
2022-06-11 14:28:37   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

Fraunhofer IAF的研究项目首次实现了磁场相关受激发射的测量。

据麦姆斯咨询报道，弗劳恩霍夫应用固体物理研究所（Fraunhofer IAF）在激光阈值磁强计（LTM）方向的开发中取得了里程碑式的成果，首次测量了磁场相关受激发射。该研究成果已发表于近期的Science Advances期刊，研究表明LTM背后的原理有望用于医疗健康和疾病检测领域的高灵敏磁场传感器。

Fraunhofer IAF项目经理Jan Jeske表示：“我们的目标是开发一种极其灵敏的磁场传感器，并能够在室温以及存在背景场的情况下工作，因此对临床应用非常有实际意义。”

这项突破源自2018年成立的DiLaMag项目，该项目旨在研究对生物医学和临床任务足够灵敏且更经济、更易于部署的磁传感器，因为现有平台通常需要对传感器本身进行极端冷却。

DiLaMag研究项目的目标是使用含有高度氮空位（NV）中心的金刚石作为激光介质。已知NV中心吸收绿光，然后以较低能量发射红光，其亮度受外部磁场强度的影响。由于NV中心非常小，理论上这种效应能够以高空间分辨率和灵敏度检测磁场。

当Jeske和Fraunhofer IAF启动该项目时，他们预测LTM或能实现灵敏度相比现有NV研究高出两到三个数量级的磁强计，并可与最先进的SQUID（超导量子干涉装置）磁强计相媲美。据Fraunhofer IAF称，新的研究结果首次证明了磁场相关的受激发射。

大幅提高灵敏度

该项目使用NV金刚石作为激光介质，通过受激发射实现了64%的信号放大。据称，与磁场相关的发射展示了33%的对比度和mW范围的最大输出功率，这是“NV系统磁强计的对比度新记录”。

该项目还记录了在NV金刚石中观察到的非常相关且过去未知的物理过程，即绿色激光照射引起的红光吸收。

Jeske说：“受激发射是造成这种情况的原因，我们能够证明自发发射无法实现这一纪录。因此，我们首次通过实验证明了激光阈值磁强计的理论原理。”

制造具有适当高密度NV中心和所需光学特性的金刚石本身就是一个挑战。DiLaMag项目研究了通过化学气相沉积和后处理（电子辐照以及温度处理）生产金刚石，以提高NV密度。

该项目利用吸收光谱监测金刚石生产过程中NV中心的形成，建立NV密度、取代氮转化（利用高通量辐照）和电荷稳定性之间的相关性。

Fraunhofer IAF的研究结果证实，可以利用这种高密度NV中心和高质量CVD金刚石生产技术，这是开发测量极小磁场的金刚石激光阈值磁强计的先决条件。

该项目在论文中评论道：“NV中心的相干读出为量子缺陷和金刚石NV磁场传感器的新型腔和激光应用铺平了道路，大大提高了医疗、科研和采矿领域应用的灵敏度。”

延伸阅读：

《传感器技术和市场趋势-2020版》