弗劳恩霍夫IAF研究人员成功演示双介质NV钻石激光系统

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一组由Jan Jeske博士领导的研究团队，来自弗劳恩霍夫应用固态物理研究所 (IAF)，开发了一种新型激光阈值磁力计传感器系统。该系统结合了氮空位(NV)钻石和激光二极管，在光学谐振腔中标志着医疗应用中磁场测量的重大突破。这一创新系统能够精确检测极小的磁场，例如由脑电波产生的磁场，为医学诊断和治疗开辟了新的可能性。这项研究最近发表在《科学进展》上，标志着双介质激光系统首次成功演示，代表着在BMBF资助的NeuroQ项目中的重要进展。

基于氮空位(NV)中心的量子传感器已广泛用于在室温和背景磁场下进行精确的磁场测量。激光阈值磁力计(LTM)是一种新的研究方法，用于测量在飞特斯拉(fT)到皮特斯拉(pT)范围内的极低磁场。此外，LTM可以在不需要抑制背景场的情况下进行高动态范围的测量。这些特性使得激光阈值磁力计特别适用于医疗应用，例如测量来自大脑或心脏的生物磁信号。

激光阈值磁力计原理

LTM的科学原理已经在理论上进行了广泛的研究。从那时起，弗劳恩霍夫应用固态物理研究所的研究人员一直致力于实现首个激光阈值磁力计。基本概念是从NV中心开发激光，并利用对磁场反应的激光光线来获取关于磁场强度和方向的精确信息。激光阈值是激光开始或停止发光的点。由于靠近激光阈值的磁场对信号有非常强的影响，因此可以在这一点上非常精确地测量。与荧光光相比，激光信号可以更准确地测量，并且动态范围更广。

在2022年，弗劳恩霍夫IAF的研究人员成功演示了世界上首个基于NV中心的磁场依赖性光放大。然而，由于外部激光源，NV中心的激光阈值尚未实现。

激光阈值的首次演示

在当前的研究结果中，研究人员将NV钻石与第二种激光介质——用于额外光放大的激光二极管结合在光学谐振腔中。这使他们首次演示了激光阈值：根据NV中心的泵浦强度，激光系统可以开启或关闭。

“这些结果是激光阈值磁力计发展的重大突破。在此基础上，未来可以实现具有高达100%对比度、强光信号和广泛可测磁场强度的传感器，”量子传感器技术研究员Jan Jeske博士表示。

第一作者Lukas Lindner的工作展示了灯塔项目“神经通信接口的激光阈值磁力计”或简称NeuroQ的早期阶段，该项目由德国联邦教育和研究部(BMBF)资助。NeuroQ项目团队目前正在进一步开发这一创新的NV钻石激光系统，目前正在申请专利，并提高其灵敏度。

BMBF灯塔项目NeuroQ

NeuroQ联盟由弗劳恩霍夫IAF、柏林夏里特大学医学中心、斯图加特大学及其他工业合作伙伴组成，正在开发用于医疗应用的高精度量子传感器：量子传感器将测量神经活动，并通过脑-计算机接口将信号传输到外骨骼。这项技术将使瘫痪者能够通过思想控制外骨骼，从而恢复部分移动能力。

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