Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetfeldgradiometer zur Bestimmung eines Magnetfeldgradienten, umfassend: mindestens eine Anregungslichtquelle zur Emission von Anregungslicht, zwei räumlich beabstandete Messbereiche zur Magnetfeld-Messung, in welchen Farbzentren in Diamant, bevorzugt NV-Zentren, angeordnet sind, die bei einer Anregung mit dem Anregungslicht Fluoreszenzlicht emittieren, mindestens einen Mikrowellenemitter zur Beaufschlagung der räumlich beabstandeten Messbereiche mit mindestens einem Mikrowellenfeld, zwei Detektoren zur Detektion des Fluoreszenzlichts aus den beiden räumlich beabstandeten Messbereichen, sowie eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung des Magnetfeldgradienten anhand des von den Detektoren detektierten Fluoreszenzlichts. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Magnetfeld- gradiometer-Array, ein dreidimensionales Magnetfeldgradiometer-Array und einen integrierten optischen Schaltkreis. Magnetfeldgradiometer dienen der Bestimmung von Magnetfeldgradienten, also dem Quotienten aus der Veränderung des Magnetfeldes über eine gegebene räumliche Distanz, insbesondere der Bestimmung kleiner und kleinster Magnetfeldgradienten. Typischerweise umfasst ein Magnetfeldgradiometer zwei Magnetometer, über die jeweils das Magnetfeld gemessen wird und die in einem definierten räumlichen Abstand zueinander angeordnet sind. Verglichen mit der Magnetfeldmessung mittels eines einzelnen Magnetometers ist der Einsatz von Magnetfeldgradiometern häufig vorteilhaft, da damit Umgebungsrauschen, das sich auf beide Magnetometer gleich auswirkt, insbesondere Störsignale weit entfernter Magnetfeldquellen, eliminiert wird. Praktische Anwendung finden Magnetfeldgradiometer beispielsweise in der Magnetokardiographie und zur indirekten Messung von Hirnströmen in der Magnetoenzephalographie.

Magnetfeldgradiometer der eingangs beschriebenen Art und entsprechende Magnetometer basieren auf einer magnetfeldabhängigen Veränderung der Fluoreszenz von Farbzentren in Diamant bzw. von NV-Zentren in Gegenwart eines magnetischen Wechselfeldes. Genauer handelt es sich um eine optische Detektion einer magnetischen Resonanz (ODMR). Die Grundlagen sind in dem Artikel „Nanoscale imaging magnetometry with diamond spins under ambient conditions“ von G. Balasubramian et al., Nature 455, 648 (2008) beschrieben. Das Prinzip wird im Folgenden am Beispiel eines NV-Zentrums summarisch erläutert.

Bei einem NV-Zentrum handelt es sich um ein spezielles Farbzentrum in Diamant, das aus einem Stickstoff-Atom und einer benachbarten Fehlstelle besteht. Genauer wird im Rahmen dieser Anmeldung unter einem NV-Zentrum ein negativ geladenes NV-Zentrum verstanden. Die Magnetfeldgradiometer sind ferner zur Messung an einer Vielzahl von NV-Zentren ausgebildet (sogenannte Ensemble-Magnetometrie).

Die Energieniveaus eines NV-Zentrums umfassen einen Grundzustand und einen angeregten Zustand in Form jeweils eines Tripletts. Die jeweils drei Zustände jedes Tripletts unterscheiden sich in ihrer magnetischen Spinquantenzahl, m _s = -1,0, +1. Die m _s = ±1 Zustände sind aufgrund der Spin-Spin-Wechselwirkung höherenergetisch als der m _s = 0 Zustand. Ohne Magnetfeld sind die m _s = ±1 Zustände entartet (bei Vernachlässigung der Hyperfeinstruktur), haben also die gleiche Energie. In Gegenwart eines Magnetfelds ist aufgrund des Zeeman-Effekts die Entartung derm _s = ±1 Zustände hingegen proportional zum Magnetfeld aufgehoben.

Mittels Einstrahlung von Anregungslicht im grünen Wellenlängenbereich können die NV-Zentren aus dem Grundzustand in den angeregten Zustand gepumpt werden.

Die Rückkehr in den Grundzustand erfolgt teilweise unter Emission von rotem Fluoreszenzlicht. Die Intensität dieses Fluoreszenzlichts hängt von der Populationsverteilung zwischen den m _s = -1,0, +1 Zuständen des Triplett- Grundzustands ab. Durch Wechselwirkung mit einem resonanten Mikrowellenfeld kann diese Populationsverteilung beeinflusst werden. Genauer kommt es bei einem Mikrowellenfeld mit den Frequenzen / ₊ und entsprechend den Übergängen zwischen dem m _s = 0 und dem m _s = +1 Zustand beziehungsweise dem m _s = -1 Zustand, zu einem Abfall der detektierten Intensität des Fluoreszenzlichts.

Die Frequenzen / ₊ und /_ ergeben sich dabei aus der Formel f± ~ Dgs + ß ' T ± YNVBO _* siehe beispielsweise den Artikel „Integrated and portable magnetometer based on nitrogen-vacancy ensembles in diamond“ von F. Stürner etal., arXiv:2012.01053. Hierbei ist D _{gs «} 2,87 GHz die Aufspaltung zwischen dem m _s = 0 Zustand und den m _s = ±1 Zuständen des Triplett-Grundzustands bei Raumtemperatur in Abwesenheit eines Magnetfelds, ß « -75.0 kHz K ^_1 die Temperaturabhängigkeit dieser Aufspaltung, DG die Abweichung von der Raumtemperatur, Y _NV das gyromagnetische Verhältnis des NV-Zentrums und B _Q die Projektion des Magnetfelds auf die entsprechende Achse des NV-Zentrums.

Zur Bestimmung eines Magnetfelds mittels eines entsprechenden Magnetometers wird nun die Frequenz des Mikrowellenfelds variiert. In Abhängigkeit von der Frequenz des Mikrowellenfelds weist die gemessene Intensität des Fluoreszenzlichts Minima, auch als „Dip“ beziehungsweise „Dips“ bezeichnet, bei den Frequenzen / ₊ auf. Über die Lage dieser Minima wird anhand der genannten Formel das Magnetfeld bestimmt. Im Fall eines Magnetfeldgradiometers erfolgen derartige Messungen in zwei räumlich beabstandeten Messbereichen, in welchen jeweils NV-Zentren, beziehungsweise andere Diamant-Farbzentren angeordnet sind. Aus einem Vergleich der Minima des Fluoreszenzlichts aus dem ersten und dem zweiten Messbereich und dem Abstand der Messbereiche wird dann der Magnetfeldgradient bestimmt.

In dem genannten Artikel von F. Stürner et al. ist ein Magnetometer auf Basis von NV-Zentren in Diamant beschrieben. Ein Diamantkristall mit NV-Zentren ist über eine Linse mit einer optischen Faser verbunden. Mittels eines fasergebundenen Lasermoduls mit einer Wellenlänge von 521,9 nm werden die NV-Zentren optisch angeregt. Von den NV-Zentren emittiertes Fluoreszenzlicht wird mittels einer Silizium-Photodiode detektiert, welche auf der Seite des Diamantkristalls angeordnet ist, die der Linse und der Faser gegenüberliegt. Ein Zweifach-Split-Ring-Resonator dient zur Bereitstellung eines magnetischen Wechselfeldes im Mikrowellenbereich.

In dem Artikel „Portable magnetometry for detection of biomagnetism in ambient environments“ von M. Limes et al., Phys. Rev. Appl. 14, 011002, ist ferner ein Magnetfeldgradiometer auf Basis zweier räumlich beabstandeter Rb-Dampfzellen beschrieben. Die Messung erfolgt über gepulste Laserstrahlen in einem sogenannten Pump-Probe-Schema. Dabei werden die Rb-Atome in den Dampfzellen zunächst mittels eines Pumpstrahls spinpolarisiert. Anschließend wird mittels eines Probestrahls die magnetfeldabhängige Larmorfrequenz der Rb-Atome für beide Dampfzellen bestimmt. Aus der Differenz der Larmorfrequenzen und dem Abstand der Dampfzellen wird dann der Magnetfeldgradient bestimmt.

In dem Artikel „Gradiometer Using Separated Diamond Quantum Magnetometers“ von Y. Masuyama et al., Sensors 21 , 977 (2021 ) ist ein Magnetfeldgradiometer auf Basis zweier räumlich separierter Diamant-Quanten-Magnetometer beschrieben. An zwei Diamanten mit NV-Zentren ist jeweils eine optische Faser angebracht. Über die optischen Fasern werden die Diamanten mit einem Laserstrahl beleuchtet. Jeweils eine Antenne in Form einer Koplanarleitung dient zur Beaufschlagung der Diamanten mit einem Mikrowellenfeld. Von den NV-Zentren emittiertes Fluoreszenzlicht gelangt über die optischen Fasern zu jeweils einem Photodetektor. Aus den Fluoreszenz signalen wird anschließend der Magnetfeldgradient bestimmt. Ferner dient ein Magnet zur Bereitstellung eines Bias-Magnetfelds.

Durch die Bauweise derartiger Magnetfeldgradiometer kann es allerdings leicht zu einem Temperaturunterschied zwischen den zwei Magnetometern beziehungsweise den zwei Messbereichen kommen. Durch die Temperaturabhängigkeit der Frequenzen / ₊ kann ein derartiger Temperaturunterschied den ermittelten Magnet feldgradienten verfälschen. Ferner benötigen derartige Magnetfeldgradiometer relativ viel Bauraum.

Aufgabe der Erfindung

Demgegenüber war es Aufgabe der Erfindung, ein Magnetfeldgradiometer der eingangs genannten Art bereitzustellen, das eine kompakte Bauweise aufweist und unempfindlich gegenüber äußeren Störeinflüssen, insbesondere Temperatureinflüssen, ist.

Gegenstand der Erfindung

Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch ein Magnetfeldgradiometer der eingangs genannten Art, bei dem die Messbereiche als bevorzugt freistehende Messwellenleiter eines gemeinsamen Diamant-Kristalls ausgebildet sind, der für die Messwellenleiter als Substrat dient.

Bei den Messwellenleitern handelt es sich um optische Wellenleiter, die aus dem Material des Diamant-Kristalls gebildet sind, typischerweise um freistehende optische Wellenleiter, die bei einer dreidimensionalen Strukturierung des Diamant-Kristalls gebildet werden. Der Diamant-Kristall weist im Bereich der Messwellenleiter Farbzentren auf, insbesondere ist er in diesem Bereich mit Farbzentren dotiert. Innerhalb der Messwellenleiter liegen also Farbzentren, insbesondere NV-Zentren vor. Der Abstand der Messwellenleiter liegt bevorzugt zwischen 5 mm und 5 cm, besonders bevorzugt bei ca. 2 cm. Details zu Wellenleitern aus Diamant finden sich beispielweise in dem Artikel „Inverse-designed diamond photonics“ von C. Dory et a/., Nat. Commun. 10, 3309 (2019). Dort werden auch Diamant-Wellenleiter mit Farbzentren für den Einsatz in der Quantenkommunikation und dem Quantencomputing diskutiert.

Das Magnetfeldgradiometer kann auch mehr als zwei Messwellenleiter und entsprechend mehr als zwei Detektoren aufweisen. In diesem Fall eignet sich das Magnetfeldgradiometer beispielsweise zur Erfassung von Magnetfeldgradienten höherer Ordnung.

Die Messwellenleiter werden bevorzugt subtraktiv aus dem Diamant-Kristall gefertigt. Als entsprechende Fierstellungsverfahren kommen beispielsweise reaktives lonenätzen, siehe den Artikel „Effects at reactive ion etching of CVD diamond“ von I. Bello etal., Thin Solid Films 368, 222 (2000), direkt schreibende Laser strukturierungsverfahren oder Nickel-induzierte Ätzverfahren, siehe den Artikel „Anisotropie diamond etching through thermochemical reaction between Ni and diamond in high-temperature water vapour“ von M. Nagai etal., Sei. Rep. 8, 6687 (2018) in Frage. Im Fall eines direkt schreibenden Laserstrukturierungsverfahrens kann beispielsweise ein Ultrakurzpulslaser mit einer Wellenlänge im UV- Wellenlängenbereich zum Einsatz kommen, um Wellenleiter in den Diamant-Kristall einzuschreiben, wie dies beispielsweise in der DE 102019214684 A1 beschrieben ist. Um die Präzision bei der direkt schreibenden Laserstrukturierung zu verbessern, ist es günstig, wenn der Diamant-Kristall bei der Laserstrukturierung auf eine Temperatur von mehr als 600°C und nicht mehr als 1000°C aufgeheizt wird, wie dies in der DE 102021 205679.2 beschrieben ist.

Für die Bildung der freistehenden Messwellenleiter können die durch die Laserstrukturierung erzeugten Wellenleiter unterätzt werden. Für das Unterätzen kann auf die strukturierte Oberfläche, an der die Wellenleiter gebildet werden, zunächst eine Maskierungsschicht abgeschieden werden, die im Bereich der Seitenwände eines jeweiligen Wellenleiters, genauer gesagt am Boden eines dort gebildeten Grabens, zumindest teilweise entfernt wird. In dem Bereich, in dem die Maskierungsschicht entfernt wurde, kann ein jeweiliger Graben vertieft werden, wodurch ein Abschnitt an der Seitenwand gebildet wird, der nicht von der Maskierungsschicht bedeckt wird. Ausgehend von diesem Abschnitt kann mit einem isotropen Ätzprozess der Messwellenleiter unterätzt werden, um den freistehenden Messwellenleiter zu bilden. Der isotrope Ätzprozess kann beispielsweise in Form einer thermischen Oxidation bei einer Temperatur zwischen ca. 600°C und 1100°C in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre durchgeführt werden.

Die Messwellenleiter sind aus einem gemeinsamen Diamant-Kristall gefertigt. In der Folge gibt es keine oder im Vergleich zur Realisierung mit zwei separaten Diamanten wesentliche kleinere Konzentrationsunterschiede der Färb- beziehungsweise NV- Zentren zwischen den Messwellenleitern. Ferner erzielt man dadurch ein hohes Level an Integration und damit eine kompakte Bauweise.

Der Diamant-Kristall, beziehungsweise bei der subtraktiven Fertigung der Messwellenleiter der verbleibende Teil des Diamant-Kristalls, dient außerdem als Substrat für die Messwellenleiter. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Diamant werden damit Temperaturunterschiede zwischen den beiden Messwellenleitern effektiv und schnell ausgeglichen. Im Ergebnis ist das Magnetfeldgradiometer unempfindlich gegenüber äußeren Temperatureinflüssen. Auch nachteilige Effekte unterschiedlicher Verspannungsgrade werden vermieden. Im Ergebnis wird damit eine genauere Bestimmung von Magnetfeldgradienten möglich.

Sind die Messbereiche hingegen in Form zweier separater Diamantkristalle ausgebildet, so führt dies zu einer Reihe von Nachteilen, unter anderem durch thermische und mechanische Einflüsse und unterschiedliche Kristallqualitäten. Der benötigte Bauraum ist typischerweise größer und eine effektive Rausch unterdrückung gestaltet sich wesentlich schwieriger, da keine echte balancierte Auswertung möglich ist.

In die Messwellenleiter auf einer Seite eingebrachtes Anregungslicht führt zu einer Anregung der Farbzentren, insbesondere der NV-Zentren. Die Wellenlänge des Anregungslichts liegt bevorzugt zwischen 510 nm und 550 nm, besonders bevorzugt bei 532 nm. Die Anregungsleistung liegt bevorzugt zwischen 10 mW und 500 mW, besonders bevorzugt zwischen 20 mW und 100 mW. Bei der Anregungslichtquelle kann es sich beispielsweise um einen Diodenlaser handeln. In Folge der Anregung emittieren die Farbzentren Fluoreszenzlicht. Das Fluoreszenzlicht hat typischerweise eine Wellenlänge im roten Spektralbereich, insbesondere im Fall von NV-Zentren.

Bei den Detektoren handelt es sich beispielweise um Photodioden. Bevorzugt liegt die Quanteneffizienz der Detektoren für rotes Fluoreszenzlicht bei mindestens 80 %. Jeweils einer der Detektoren ist so angeordnet, dass damit das Fluoreszenzlicht aus jeweils einem der Messwellenleiter detektiert wird.

Die Auswerteeinheit ist bevorzugt zur balancierten Auswertung des von den Detektoren detektierten Fluoreszenzlichts ausgebildet. Dazu werden beide Detektorsignale zunächst voneinander abgezogen und nur das Differenzsignal verstärkt und über einen Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt. Dieses Signal enthält somit nur die durch den Magnetfeldgradienten hervorgerufene Differenz des Fluoreszenzsignals aus den beiden Messwellenleitern. Für den Fall, dass nur eine Anregungslichtquelle vorhanden ist, deren Anregungslicht über eine Einkoppeleinrichtung in den Diamant-Kristall bzw. eine weitere Wellenleiterstruktur eingekoppelt und auf die beiden Messwellenleiter verteilt wird (s.u.), wird durch diese Maßnahme gleichzeitig das Einfluss des Laser-Intensitätsrauschens minimiert.

In einer Ausführungsform sind aus dem Diamant-Kristall weitere Wellenleiterstrukturen gefertigt bzw. dieser weist weitere Wellenleiterstrukturen auf, die zur Zuführung des Anregungslichts in die Messwellenleiter und zur Abführung des Fluoreszenzlichts aus den Messwellenleitern dienen, wobei der Diamant-Kristall im Bereich der weiteren Wellenleiterstrukturen nicht mit Farbzentren, bevorzugt nicht mit NV-Zentren, dotiert ist. Die weiteren Wellenleiterstrukturen können neben der Zuführung des Anregungslichts und der Abführung des Fluoreszenzlichts auch weiteren Zwecken dienen. Beispielweise können die weiteren Wellenleiterstrukturen Kopplungselemente, Filter und/oder Splitter aufweisen.

Durch die Ausführung der Messbereiche als Messwellenleiter und die Zuführung des Anregungslichts und die Abführung der Fluoreszenzlichts über die weiteren Wellenleiterstrukturen ist zum einen weniger Anregungslichtleistung notwendig. Entsprechend sind die Anforderungen an die Anregungslichtquelle geringer. Zum anderen erzielt man dadurch eine höhere Einsammeleffizienz des Fluoreszenzlichts, da dieses innerhalb der Messwellenleiter beziehungsweise der weiteren Wellenleiter strukturen geführt und direkt an den Detektoren ausgekoppelt wird. Im Ergebnis ist die Sensorempfindlichkeit erhöht.

Da, wie nachfolgend weiter beschrieben, das „aktive“, Farbzentren aufweisende, Volumen optimiert werden und aufgrund der Absorption des Anregungslichts nicht zu groß sein sollte, ist es vorteilhaft, wenn der Diamant-Kristall lediglich im Bereich der Messwellenleiter und nicht im Bereich der weiteren Wellenleiterstrukturen dotiert ist. Es ist ferner vorteilhaft, wenn die weiteren Wellenleiterstrukturen nicht nur keine Farbzentren, sondern auch keine anderen absorbierenden Störstellen aufweisen. Bevorzugt liegt der Wellenleiterverlust bei weniger als 1 dB/cm.

Um eine räumlich begrenzte Dotierung zu erreichen, kann diese zum einen nach der Fierstellung des Diamant-Kristalls erfolgen, typischerweise mittels Ionenimplantation und anschließender Aktivierung der NV-Zentren über Annealing und Elektronenbeschuss. Dieses nachträgliche Dotieren hat den Nachteil, dass zusätzliche Prozessschritte, wie das Aufbringen von Implantationsmasken und das nachträgliche Aktivieren der implantierten Stickstoff-Ionen zu NV-Zentren notwendig sind. Des Weiteren wird durch Ionenimplantation das Diamant-Kristallgitter geschädigt, was zu einer Erhöhung der erzielbaren Magnetresonanz-Linienbreite und damit zu einer verminderten Magnetfeldsensitivität führt.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst der Diamant-Kristall mindestens eine erste Schicht und mindestens eine zweite Schicht, wobei in der ersten Schicht der Diamant-Kristall mit den Farbzentren, bevorzugt mit den NV- Zentren, dotiert ist und in der ersten Schicht die Messwellenleiter angeordnet sind, und wobei die zweite Schicht nicht mit den Farbzentren, bevorzugt nicht mit den NV- Zentren, dotiert ist, wobei in der zweiten Schicht die weiteren Wellenleiterstrukturen angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnung der Messwellenleiter und der weiteren Wellenleiterstrukturen erfolgt die Dotierung des Diamant-Kristalls bevorzugt während seines Kristall-Wachstums. Die genannten Nachteile einer nachträglichen Dotierung werden vermieden. Ferner ist der Herstellungsaufwand geringer. Der Diamant-Kristall kann beispielsweise über chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt werden. Um die Dotierung in der mindestens einen ersten Schicht, nicht aber in der mindestens einen zweiten Schicht zu erzielen, kann beispielsweise Dotiergas während des CVD-Wachstumsprozesses gezielt zu- und abgeschaltet werden. Nach der Herstellung des Diamant-Kristalls werden die Messwellenleiter und die weiteren Wellenleiterstrukturen aus diesem geschichteten Diamant-Kristall beispielweise über direkt schreibende Laserablationsverfahren strukturiert. Dabei wird ausgenutzt, dass durch die Ablation in Kombination mit einem isotropen Ätzverfahren auf der Diamantoberfläche beliebige 3D Strukturen aus dem Diamant- Kristall hergestellt werden können. Die Laserablation kann beispielsweise mittels eines UV-Femtosekundenlasers erfolgen.

Die erste Schicht liegt bevorzugt oberhalb oder unterhalb der zweiten Schicht. „Oberhalb“ und „unterhalb“ bezieht sich hierbei auf die Bearbeitungsrichtung des Diamant-Kristalls bei der Fertigung der Messwellenleiter und der weiteren Wellenleiterstrukturen. Liegt die erste Schicht oberhalb der zweiten Schicht und damit die Messwellenleiter oberhalb der weiteren Wellenleiterstrukturen, so werden die „aktiven“ Bereiche, also die Messwellenleiter, ggfs weniger durch Lasereinwirkung geschädigt. Liegt die zweite Schicht oberhalb der ersten Schicht und damit die weiteren Wellenleiterstrukturen oberhalb der Messwellenleiter, so ist insgesamt sehr viel weniger Materialabtrag in der ganzen Probe notwendig.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die weiteren Wellenleiterstrukturen mindestens eine Einkoppeleinrichtung zur Einkopplung des Anregungslichts und/oder mindestens zwei Auskoppeleinrichtungen zur Auskopplung des Fluoreszenzlichts auf, wobei es sich bei der mindestens einen Einkoppeleinrichtung und/oder der bei den mindestens zwei Auskoppeleinrichtungen bevorzugt um Gitterkoppler oder um Facetten handelt. Hinter jeder der zwei Auskoppel einrichtungen befindet sich jeweils einer der zwei Detektoren. Im Fall einer Einkoppeleinrichtung in Form einer Facette, ist diese bevorzugt mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen beziehungsweise zwischen dem Faserausgang einer optischen Faser, die der Zuführung des Anregungslichts dient, und der Facette wird bevorzugt ein Index-Matching-Material oder eine Immersionsflüssigkeit eingebracht. Dies dient der Vermeidung von Reflexionen, die insbesondere eine Folge des hohen Brechungsindex von Diamant sind. Auch bei den Auskoppeleinrichtungen können Kopplungsverluste beispielsweise durch Verwendung eines Index-Matching-Materials oder einer Immersionsflüssigkeit minimiert werden. Handelt es sich bei der Einkoppeleinrichtung um einen Gitterkoppler, so ist dieser bevorzugt auf die Wellenlänge des Anregungslichts, insbesondere auf eine Wellenlänge von 532 nm, optimiert. Handelt es sich bei der Auskoppeleinrichtung um einen Gitterkoppler, so ist dieser bevorzugt auf die Wellenlänge des Fluoreszenzlichts optimiert. Die Kopplungsverluste beim Einkoppeln beziehungsweise beim Auskoppeln sind bevorzugt kleiner als 20 %.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die weiteren Wellenleiterstrukturen im Strahlengang vor den beiden Messwellenleitern jeweils einen Kurzpassfilter auf, der das Anregungslicht transmittiert und das Fluoreszenzlicht reflektiert. Das Fluoreszenzlicht weist eine längere Wellenlänge auf als das Pump- bzw. Anregungslicht. Mittels eines geeigneten Kurzpassfilters kann das Fluoreszenzlicht also reflektiert werden, während das Anregungslicht transmittiert wird. Das von den Farbzentren emittierte Fluoreszenzlicht breitet sich zunächst anisotrop, also nicht nur in Richtung des Detektors, sondern auch in Richtung der Anregungslichtquelle aus. Um die Einsammeleffizienz des Fluoreszenzlichts zu erhöhen ist es daher vorteilhaft, im Strahlengang vor den zwei Messwellenleitern jeweils einen Kurzpassfilter anzuordnen, welcher das nicht in Richtung des Detektors emittierte Fluoreszenzlicht in Richtung des Detektors zurückreflektiert. Bevorzugt liegt der Reflexionsgrad des Kurzpassfilters für das Fluoreszenzlicht, insbesondere bei einer typischen Fluoreszenzlichtwellenlänge von 650 nm, bei mindestens 90 %, während der Transmissionsgrad für das Anregungslicht bevorzugt bei mindestens 95 % liegt.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die weiteren Wellenleiterstrukturen im Strahlengang nach den beiden Messwellenleitern jeweils einen Langpassfilter auf, der das Anregungslicht reflektiert und das Fluoreszenzlicht transmittiert. Durch den Langpassfilter wird das typischerweise grüne Anregungslicht zurückreflektiert und nur das typischerweise rote Fluoreszenzlicht wird in Richtung der Detektoren transmittiert. Bevorzugt liegt der Reflexionsgrad des Kurzpassfilters für das Anregungslicht bei mehr als 99,9%, besonders bevorzugt bei 99,999%, während der Transmissionsgrad für das Fluoreszenzlicht bevorzugt bei mindestens 95 % liegt. Die Kurzpassfilter und auch die Langpassfilter können beispielsweise auf Basis photonischer Kristalle oder als in die weiteren Wellenleiterstrukturen strukturierte Gitter realisiert werden.

In einer weiteren Ausführungsform verringert sich der Querschnitt der Messwellenleiter in Ausbreitungsrichtung des Anregungslichts, wobei die Geometrie der Messwellenleiter bevorzugt einem Pyramidenstumpf, insbesondere mit quadratischer Grundfläche, entspricht.

Da die Empfindlichkeit des Magnetfeldgradiometers und entsprechend aufgebauter Magnetometer unter anderem von der Leistung des Anregungslichts und von der Intensität des eingesammelten Fluoreszenzlichts abhängt, sollten die Messwellenleiter in ihrer Geometrie so beschaffen sein, dass zum einen genügend Fluoreszenzlicht erzeugt wird (bestimmt durch die Anzahl der Farbzentren, insbesondere NV-Zentren, die in den Messwellenleitern angeregt sind) und durch die Detektoren eingesammelt werden kann, und dass zum anderen jedes Farbzentrum, insbesondere jedes NV-Zentrum, in den Messwellenleitern möglichst mit der gleichen Anregungslichtintensität angeregt wird. Durch die Verjüngung der Messwellenleiter, also eine „getaperte“ Form, kann eine solche konstante optische Anregungsdichte entlang der Messwellenleiter erzielt werden. Zu diesem Zweck ist es erforderlich, den Querschnitt des Messwellenleiters in Abhängigkeit von der Position in Längsrichtung des Messwellenleiters geeignet zu wählen.

In einer weiteren Ausführungsform weisen die weiteren Wellenleiterstrukturen einen Strahlteiler zur Aufteilung des Anregungslichts auf zwei Wellenleiterarme auf, wobei in jedem der Wellenleiterarme jeweils einer der Messwellenleiter angeordnet ist. Bei dem Strahlteiler handelt es sich bevorzugt um einen 50:50 Strahlteiler. Durch die Aufteilung des Anregungslichts kommt das Magnetfeldgradiometer mit lediglich einer Anregungslichtquelle und einer Einkoppeleinrichtung aus. Durch einen solchen Einsatz lediglich einer Anregungslichtquelle und/oder lediglich einer Einkoppel einrichtung zur Einspeisung des Anregungslichts in beide Messwellenleiter wird der Einfluss des Laser-Intensitätsrauschens beziehungsweise des Rauschens, das beim Einkoppeln (beispielsweise durch mechanische Vibrationen oder thermische Effekte) entsteht, reduziert. In einer alternativen Ausführungsform weisen die weiteren Wellenleiterstrukturen einen Strahlteiler zur Aufteilung des Anregungslichts auf drei Wellenleiterarme auf, wobei in zwei der Wellenleiterarme jeweils einer der Messwellenleiter angeordnet ist und ein dritter Detektor zur Detektion des Anregungslichts aus dem dritten Wellenleiterarm dient. Der dritte Wellenleiterarm weist keine Farbzentren oder NV- Zentren auf, sondern dient nur dazu, ein Laser-Referenzsignal bereitzustellen, mit dessen Hilfe eine zusätzliche Balancierung des Gradiometersignals erfolgen kann. Alternativ kann ein solches Laser-Referenzsignal auch mittels eines Detektors, beispielsweise mittels einer Photodiode, der in die Laserquelle integriert ist, erhalten werden.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Magnetfeldgradiometer eine Magnetfeldquelle zur Beaufschlagung der Messwellenleiter mit einem Bias- Magnetfeld, das in beiden Messwellenleitern bevorzugt die gleiche Richtung und den gleichen Betrag hat. Das Bias-Magnetfeld dient insbesondere der Aufspaltung der Resonanzen der vier möglichen NV-Richtungen in Diamant. Dies ermöglicht eine Magnetfeld-Vektormessung. Bei der Magnetfeldquelle handelt es sich beispielsweise um ein stromdurchflossenes Helmholtz-Spulenpaar, dessen Achse bevorzugt parallel zur, besonders bevorzugt identisch der Verbindungsachse der beiden Messwellenleiter ist. Die Magnetfeldquelle kann aber auch eine Permanentmagnet- Anordnung, beispielsweise ein Halbach-Array sein.

Bei dem Mikrowellenemitter kann es sich beispielsweise um einen Resonator oder eine Antenne handeln. Der Gütefaktor ist bevorzugt größer als 20. In einer möglichen Anordnung befindet sich im Bereich jedes der Messwellenleiter jeweils ein Mikrowellenemitter. Der Frequenzbereich des Mikrowellenemitters liegt bevorzugt zwischen 2,8 GHz und 3,1 GHz.

Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses des Magnetfeldgradiometers ist die Mikrowellenquelle bevorzugt modulierbar. Das Mikrowellensignal wird in diesem Fall mit einer bestimmten Modulationsfrequenz und einer bestimmten Modulationstiefe moduliert und das Ausgangssignal des Magnetfeldgradiometers mit der gleichen Frequenz demoduliert. Je nach zu erwartendem Magnetfeldgradienten sollte die Modulationstiefe so angepasst sein, dass sie nicht breiter ist als die zu erwartende Resonanzverschiebung. Zum anderen sollte sie unter der Resonanzlinienbreite liegen. Falls der zu erwartende Magnetfeldgradient deutlich höher liegt als die Resonanzlinienbreite können beide Messwellenleiter mit unterschiedlichen Mikrowellenfeldern beaufschlagt werden.

In einerweiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem mindestens einen Mikrowellenemitter um mindestens einen Split-Ring-Resonator.

Das Mikrowellenfeld kann auch mittels einer geeigneten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung, typischerweise als ASIC bezeichnet, erzeugt werden. Über entsprechende Metallisierungsebenen und Strukturen im ASIC können die Messbereiche eines direkt auf dem ASIC angeordneten Diamant-Kristalls mit dem Mikrowellenfeld beaufschlagt werden. In einer solchen, hochintegrierten Lösung bietet es sich an, dass der ASIC gleichzeitig auch die Detektoren und die Auswerteeinheit, typischerweise in Form einer Auswerteelektronik, die gegebenenfalls zur balancierten Detektion ausgebildet ist, beinhaltet. In diesem Fall kann die Lage der Auskoppeleinrichtungen an die Position der Detektoren auf dem ASIC angepasst sein.

In einer weiteren Ausführungsform liegt die Konzentration der Farbzentren, bevorzugt der NV-Zentren, in den Messwellenleitern zwischen 0,1 ppm und 2 ppm, bevorzugt zwischen 0,3 ppm und 0,7 ppm, besonders bevorzugt bei 0,5 ppm. Der untere Wert von 0,1 ppm ergibt sich daraus, dass zur Erzielung hoher Empfindlichkeiten möglichst viel Fluoreszenzlicht erzeugt werden sollte, der obere Wert von 2 ppm daraus, dass es bei Konzentrationen von mehr als 2 ppm zu einer Linienverbreiterung der Magnetresonanz durch Überlapp der Elektronen- Wellenfunktionen einzelner benachbarter Farbzentren kommt.

Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt gelöst durch ein Magnetfeldgradiometer-Array, umfassend eine Mehrzahl von Magnetfeld- gradiometern, die wie oben beschrieben ausgebildet und entlang einer Achse oder in einer Ebene angeordnet sind, wobei die Messwellenleiter der Magnetfeldgradiometer bevorzugt aus einem gemeinsamen Diamant-Kristall gefertigt sind, der für die Messwellenleiter als Substrat dient. Auch die weiteren Wellenleiterstrukturen der Magnetfeldgradiometer sind bevorzugt aus demselben Diamant-Kristall gefertigt. Die Anordnung entlang einer Achse ermöglicht beispielsweise einen größeren Messbereich und eine Abstandsbestimmung zur Magnetfeldquelle. Die Anordnung in einer Ebene ermöglicht ein zweidimensionales Magnetfeldmapping. Das Magnetfeldgradiometer-Array kann eine Mehrzahl von Anregungslichtquellen oder aber lediglich eine gemeinsame Anregungslichtquelle aufweisen.

Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt gelöst durch ein dreidimensionales Magnetfeldgradiometer-Array, umfassend eine Mehrzahl gestapelter Magnetfeldgradiometer-Arrays, die wie oben beschrieben ausgebildet sind. Mit einem solchen dreidimensionalen Magnetfeldgradiometer-Array ist ein gradiometrisches 3D Mapping möglich. Magnetfeldquellen können in allen drei Raumrichtungen lokalisiert werden, was beispielsweise zur Realisierung einer magnetoenzephalographiebasierten Gehirn-Computer-Schnittsteile genutzt werden kann.

Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß einem weiteren Aspekt gelöst durch einen integrierten optischen Schaltkreis zum Einsatz in einem Magnetfeldgradiometer, insbesondere in einem Magnetfeldgradiometer wie oben beschrieben, umfassend zwei räumlich beabstandete Messbereiche zur Magnetfeld- Messung, die in Form von bevorzugt freistehenden Messwellenleitern eines gemeinsamen Diamant-Kristalls ausgebildet sind, der für die Messwellenleiter als Substrat dient und im Bereich der Messwellenleiter mit Farbzentren, bevorzugt mit NV-Zentren, dotiert ist. Bezüglich der Vorteile des integrierten optischen Schaltkreises und seiner nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen wird auf die obigen Ausführungen zum Magnetfeldgradiometer und den entsprechenden Ausführungsformen verwiesen.

In einer Ausführungsform weist der Diamant-Kristall weitere Wellenleiterstrukturen auf, die zur Zuführung des Anregungslichts in die Messwellenleiter und zur Abführung des Fluoreszenzlichts aus den Messwellenleitern dienen, wobei der Diamant-Kristall im Bereich der weiteren Wellenleiterstruktur nicht mit Farbzentren, bevorzugt nicht mit NV-Zentren, dotiert ist.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform umfasst der Diamant-Kristall mindestens eine erste Schicht und mindestens eine zweite Schicht, wobei in der ersten Schicht der Diamant-Kristall mit den Farbzentren, bevorzugt mit den NV- Zentren, dotiert ist und in der ersten Schicht die Messwellenleiter angeordnet sind, und wobei die zweite Schicht nicht mit den Farbzentren, bevorzugt nicht mit den NV- Zentren, dotiert ist, wobei in der zweiten Schicht die weiteren Wellenleiterstrukturen angeordnet sind.

In einer weiteren Ausführungsform verringert sich der Querschnitt der Messwellenleiter in Ausbreitungsrichtung des Anregungslichts, wobei die Geometrie der Messwellenleiter bevorzugt einem Pyramidenstumpf, insbesondere mit quadratischer Grundfläche, entspricht.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung und ihrer nachfolgenden Beschreibung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Magnetfeldgradiometers umfassend zwei Messbereiche, in denen NV-Zentren angeordnet sind, wobei die Messbereiche als Messwellenleiter eines gemeinsamen Diamant-Kristalls ausgebildet sind,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Variante des in Fig. 1 gezeigten Magnetfeldgradiometers, bei der ein Strahlteiler zur Aufteilung von Anregungslicht auf zwei Wellenleiterarme dient, in denen jeweils einer der Messwellenleiter angeordnet ist,

Fig. 3a-d schematische Darstellungen eines Diamant-Kristalls mit einer ersten, mit NV-Zentren dotierten Schicht und einer zweiten, nicht mit NV-Zentren dotierten Schicht, sowie eines daraus gefertigten Messwellenleiters und weiterer Wellenleiterstrukturen in der Umgebung des Messwellenleiters, Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des in Fig. 3a-d gezeigten

Messwellenleiters und der ebenfalls in Fig. 3a-d gezeigten weiteren Wellenleiterstrukturen in der Umgebung des Messwellenleiters,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines sich in Ausbreitungsrichtung des Anregungslichts verjüngenden Messwellenleiters,

Fig. 6 die Abhängigkeit der Intensität des Fluoreszenzlichts aus einem der Messwellenleiter von der Frequenz eines Mikrowellenfeldes,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Variante des in Fig. 1 gezeigten

Magnetfeldgradiometers mit zwei Mikrowellenemittern in Form von Split- Ring-Resonatoren und einer Magnetfeldquelle in Form eines Flelmholtz- Spulenpaars, sowie

Fig. 8a, b schematische Darstellungen von Magnetfeldgradiometer-Arrays mit einer Mehrzahl von Magnetfeldgradiometern.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnung werden für gleiche bzw. entsprechende Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.

Die Figur 1 zeigt ein Beispiel eines Magnetfeldgradiometers 1 zur Bestimmung eines Magnetfeldgradienten GB mit zwei Anregungslichtquellen 2 zur Emission von Anregungslicht AL, zwei räumlich beabstandeten Messbereichen 3 zur Magnetfeld- Messung, in welchen NV-Zentren 4 angeordnet sind, die bei einer Anregung mit dem Anregungslicht AL Fluoreszenzlicht FL emittieren, zwei Detektoren 5 zur Detektion des Fluoreszenzlichts FL aus den beiden Messbereichen 3 und eine Auswerteeinrichtung 6 zur Bestimmung des Magnetfeldgradienten GB anhand des von den Detektoren 5 detektierten Fluoreszenzlichts FL. Die Messbereiche sind als Messwellenleiter 3 aus einem gemeinsamen Diamant-Kristall 7 gefertigt, der für die Messwellenleiter 3 als Substrat dient. Die dargestellten Detektoren 5 sind Photodioden, es kann sich dabei aber auch um andere Detektoren handeln. Das Magnetfeldgradiometer 1 umfasst außerdem einen in Figur 1 nicht bildlich dargestellten Mikrowellenemitter zur Beaufschlagung der räumlich beabstandeten Messbereiche 3 mit einem Mikrowellenfeld.

Aus dem Diamant-Kristall 7 sind außerdem weitere Wellenleiterstrukturen 8 gefertigt, die zur Zuführung des Anregungslichts AL in die Messwellenleiter 3 und zur Abführung des Fluoreszenzlichts FL aus den Messwellenleitern 3 dienen. Die Messwellenleiter 3 und weiteren Wellenleiterstrukturen 8 können zusammen mit dem Diamant-Kristall 7 als integrierter optischer Schaltkreis 9 aufgefasst werden. Der Diamant-Kristall 7 ist im Bereich der weiteren Wellenleiterstrukturen 8 nicht mit NV- Zentren 4 dotiert.

Die Konzentration der NV-Zentren 4 in den Messwellenleitern 3 liegt bei 0,5 ppm, im Allgemeinen kann sie aber auch zwischen 0,1 ppm und 2 ppm oder zwischen 0,3 ppm und 0,7 ppm liegen. Anstelle der NV-Zentren 4 können auch andere Farbzentren in den Messwellenleitern 3 angeordnet sein. In diesem Fall ist der Diamant-Kristall 7 im Bereich der weiteren Wellenleiterstrukturen 8 bevorzugt nicht mit den entsprechenden Farbzentren dotiert. Der integrierte optische Schaltkreis 9 muss nicht zwingend weitere Wellenleiterstrukturen aufweisen.

Die weiteren Wellenleiterstrukturen 8, die im gezeigten Beispiel als Stegwellenleiter ausgebildet sind, weisen zwei Einkoppeleinrichtungen 10 und zwei Auskoppeleinrichtungen 11 jeweils in Form von Gitterkopplern auf. Die zwei Detektoren 5 sind im dargestellten Beispiel unmittelbar hinter den Auskoppeleinrichtungen 11 angeordnet. Zur Zuführung des Anregungslichts AL von den Anregungslichtquellen 2 zu den Einkoppeleinrichtungen 10 dienen hier beispielhaft zwei optische Fasern 12. Die Einkoppel- und/oder Auskoppeleinrichtungen 10,11 können aber auch auf andere Weise, beispielweise als Facetten der weiteren Wellenleiterstrukturen 8 ausgebildet sein.

Die weiteren Wellenleiterstrukturen 8 weisen im Strahlengang vor den zwei Messwellenleitern 3 jeweils einen Kurzpassfilter 13 und im Strahlengang nach den zwei Messwellenleitern 3 jeweils einen Langpassfilter 14 auf. Die Kurzpassfilter 13 transmittieren das Anregungslicht AL und reflektieren das in Richtung der Anregungslichtquellen 2 propagierende Fluoreszenzlicht FL. Die Langpassfilter 14 reflektieren das Anregungslicht AL und transmittieren das Fluoreszenzlicht FL. Die Kurzpass- und Langpassfilter 13,14 sind im dargestellten Fall als Gitter in die weiteren Wellenleiterstrukturen 8 integriert, können im Allgemeinen aber auch anders realisiert werden. Anders als hier dargestellt müssen die weiteren Wellenleiterstrukturen 8 auch keine Kurzpassfilter 13 und/oder Langpassfilter 14 aufweisen.

Die Auswerteeinrichtung 6 ist zur balancierten Auswertung des von den Detektoren 5 detektierten Fluoreszenzlichts FL ausgebildet und umfasst einen Differenzverstärker 15 und einen Analog-Digital-Wandler 16. Die Detektorsignale 17 werden in dem Differenzverstärker 15 zunächst voneinander abgezogen. Das Differenzsignal wird dann verstärkt und über den Analog-Digital-Wandler 16 in ein digitales Signal 18 umgewandelt. Die Auswerteeinrichtung 6 kann aber auch anders als in der Figur 1 dargestellt ausgebildet sein.

In der Figur 1 nimmt außerdem der Querschnitt der Messwellenleiter 3 in Ausbreitungsrichtung 19 des Anregungslichts AL ab. Die Abnahme des Querschnitts der Messwellenleiter 3 in Ausbreitungsrichtung 19 des Anregungslichts AL wird so festgelegt, dasseine konstante optische Anregungsdichte entlang der Messwellenleiter 3 vorliegt. Im Allgemeinen muss sich der Querschnitt der Messwellenleiter 3 in Ausbreitungsrichtung 19 des Anregungslichts AL aber nicht zwingend reduzieren.

In Figur 2 ist ein weiteres Beispiel eines Magnetfeldgradiometers 1 , ähnlich dem in Figur 1 dargestellten gezeigt. Im Vergleich zur Figur 1 wurde der Einfachheit halber auf eine Darstellung der Detektoren 5 und der Auswerteeinrichtung 6 verzichtet.

Anders als in Figur 1 weist das in Figur 2 gezeigte Magnetfeldgradiometer 1 nur eine Anregungslichtquelle 2, eine optische Faser 12 und eine Einkoppeleinrichtung 10 auf. Die weiteren Wellenleiterstrukturen 8 weisen einen Strahlteiler 20 zur Aufteilung des Anregungslichts AL auf zwei Wellenleiterarme 21 auf, wobei in jedem der Wellenleiterarme 21 jeweils einer der Messwellenleiter 3 angeordnet ist. Alternativ können die weiteren Wellenleiterstrukturen 8 auch einen Strahlteiler zur Aufteilung des Anregungslichts AL auf drei Wellenleiterarme aufweisen, wobei in zwei der Wellenleiterarme jeweils einer der Messwellenleiter 3 angeordnet ist und ein dritter Detektor zur Detektion des Anregungslichts AL aus dem dritten Wellenleiterarm dient. Das von dem dritten Detektor detektierte Anregungslicht AL dient als Laser-Referenzsignal, mit dem eine zusätzliche Balancierung des Gradiometersignals erfolgen kann.

Die Figuren 3a-d illustrieren die Fertigung eines Messwellenleiters 3 und weiterer Wellenleiterstrukturen 8 aus einem Diamant-Kristall 7 in einem Ausschnitt, der die Umgebung des Messwellenleiters 3 zeigt. Wie in den Figuren 3a-d zu erkennen ist, handelt es sich bei dem Messwellenleiter 3 um einen freistehenden Messwellenleiter 3, so dass die kombinierte Struktur aus dem Messwellenleiter 3 und den weiteren Wellenleiterstrukturen 8 nicht planar ist. Die weiteren Wellenleiterstrukturen 8 sind bei dem in Figur 3c gezeigten Beispiel im Bereich des Messwellenleiters 3 vom restlichen Diamant-Kristall 7 beabstandet und an zwei in Figur 3c nicht dargestellten Bereichen an den Diamant-Kristall 7 angebunden.

Die Figuren 3a und 3c zeigen Seitenansichten, die Figuren 3b und 3d Draufsichten.

In den Figuren 3a und 3b ist der Diamant-Kristall 7 nach seiner Herstellung und vor Fertigung des Messwellenleiters 3 und der weiteren Wellenleiterstrukturen 8 gezeigt. In den Figuren 3c und 3d ist die Fertigung des Messwellenleiters 3 und der weiteren Wellenleiterstrukturen 8 abgeschlossen.

Der Diamant-Kristall 7 umfasst eine erste Schicht 22 und eine zweite Schicht 22‘, wobei in der ersten Schicht 22 der Diamant-Kristall 7 mit den NV-Zentren 4 dotiert ist und in der ersten Schicht 22 der freistehende Messwellenleiter 33 angeordnet ist, und wobei die zweite Schicht 22' nicht mit NV-Zentren 4 dotiert ist und in der zweiten Schicht 22' die weiteren Wellenleiterstrukturen 8 angeordnet sind.

Eine entsprechende Dotierung kann beispielsweise während des Wachstums des Diamant-Kristalls 7 erfolgen. Die Fertigung des freistehenden Messwellenleiters 3 erfolgt dann bevorzugt mittels eines direkt schreibenden Laserablationsverfahrens in einem darauffolgenden Bearbeitungsschritt, in dem zunächst ein Messwellenleiter 3 gebildet wird, der in einem nachfolgenden isotropen Ätzschritt unterätzt wird, um den freistehenden Messwellenleiter 3 zu bilden. Nicht abgetragene Teile des Diamant- Kristalls 7 dienen als Substrat.

Im dargestellten Beispiel ist die erste, dotierte Schicht 22 oberhalb der zweiten, nicht dotierten Schicht 22' angeordnet. Abweichend davon kann die erste Schicht 22 jedoch auch unterhalb der zweiten Schicht 22' angeordnet sein.

Die Figur 4 zeigt eine perspektivische Darstellung des in Figur 3a-d gezeigten Messwellenleiters 3 und der weiteren Wellenleiterstrukturen 8 in der Umgebung des Messwellenleiters 3.

In Figur 5 ist einer der Messwellenleiter 3 aus Figur 1 schematisch im Detail dargestellt. Der Messwellenleiter 3 verjüngt sich in Ausbreitungsrichtung 19 des Anregungslichts AL. Genauer hat er beispielhaft die Form eines Pyramidenstumpfs mit quadratischer Grundfläche 23. Die Kantenlänge der quadratischen Grundfläche 23 des Pyramidenstumpfes, die im Strahlengang des Anregungslichts AL näher an der Anregungslichtquelle 2 liegt ist dabei größer als die Kantenlänge l ₂ auf der dem Detektor 5 zugewandten Seite. Wie weiter unten näher beschrieben wird, sind die Kantenlängen l _l l ₂ so gewählt, dass die optische Anregungsdichte des Anregungslichts AL in Längsrichtung des Messwellenleiters 3 konstant bleibt.

Die Figur 6 zeigt schematisch die Abhängigkeit der Intensität / des Fluoreszenzlichts FL aus einem der Messwellenleiter 3 des oben beschriebenen Magnetfeldgradiometers 1 oder eines entsprechenden Magnetometers von der Frequenz / des eingestrahlten Mikrowellenfeldes. In Folge einer magnetischen Resonanz weist die Intensität / des Fluoreszenzlichts ein Minimum M gegenüber einem Hintergrundwert B auf. Aus der Frequenz f _min des Minimums M ist dabei das Magnetfeld im jeweiligen Messwellenleiter 3 bestimmbar. Die wesentlichen Parameter umfassen den Fluoreszenzkontrast K und die Halbwertsbreite FWHM der Magnetresonanz. Die Photon-Shot-Noise limitierte Empfindlichkeit, d.h. das kleinste messbare Magnetfeld ß _min , ergibt sich aus der Formel wobei g das gyromagnetische Verhältnis, R die Photonenrate des Fluoreszenzlichts FL und t die Integrationszeit ist. Ferner ist NF ein numerischer Faktor, der von der mathematischen Beschreibung der Resonanzkurve abhängt. Bei Annahme einer Gauß-Verteilung liegt dieser bei ungefähr 1. In Fall von NV-Zentren 4 gilt für das gyromagnetische Verhältnis g « 28 GHz/T.

Im Folgenden wird eine mögliche Auslegung der Messwellenleiter 3 beispielhaft diskutiert. Als Randbedingungen für die Auslegung der Messwellenleiter 3 sind zu nennen: Für einen optimalen Fluoreszenzkontrast eignet sich insbesondere eine Anregungsleistungsdichte von 1 kW/cm ² . Des Weiteren sollte die Konzentration der NV-Zentren 4 in den Messwellenleitern 3 bevorzugt zwischen 0,1 ppm und 2 ppm, besonders bevorzugt bei 0,5 ppm liegen.

Unter den genannten Randbedingungen sind eine Flalbwertsbreite FWHM = 100 kHz und ein Fluoreszenzkontrast K = 2 % möglich, woraus sich mit NF « 1 eine Empfindlichkeit von ergibt.

Nun sei eine zu erzielende Empfindlichkeit von = 1 pT/VHz entsprechend einer zu detektierenden Photonenrate von R = 3,2 lO ¹⁶ ^ angenommen. Setzt man eine

Auskoppeleffizienz aus den weiteren Wellenleiterstrukturen 8 in den Detektor 5 von 85 % und eine Quanteneffizienz des Detektors von 95 % an, so ergibt sich die zu absorbierende Anregungslichtleistung bei einer Wellenlänge des Anregungslichts von 532 nm (entsprechend einer Photonenenergie von ca. 2,33 eV) zu

P _abs = 3,2 10 ¹⁶ - _s 1,6

Um Feldinhomogenitäten entlang des Messwellenleiters 3 zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn dieser nicht länger als 1 mm ist. Bei einer Konzentration der NV- Zentren 4 im Messwellenleiter 3 von 0,5 ppm ergibt sich eine Absorption entlang eines 1 mm langen Messwellenleiters 3 von 20 % (40 % bei 1 ppm).

Bei 20 % Absorption müsste die eingekoppelte Anregungslichtleistung 75 mW betragen (37,5 mW bei 40 % Absorption und 1 ppm Konzentration der NV-Zentren) Aus der Anforderung, dass die optische Anregungsdichte 1 kW/cm ² betragen soll, ergibt sich damit bei einem quadratischen Wellenleiterquerschnitt des Messwellenleiters 3 (d.h. anders als dies in Figur 5 dargestellt ist, gilt: = l ₂ ) eine Kantenlänge von mih, beziehungsweise eine Querschnittsfläche von 75 IO ^-6 cm ² . (Bei 40 % Absorption und 1 ppm Konzentration der NV-Zentren entsprechend l _{1 =} l ₂ = 61 mhi und eine Querschnittsfläche von 37,5 IO ^-6 cm ² .)

Wie weiter oben angedeutet wurde, kann eine konstante optische Anregungsdichte über eine Verjüngung des Messwellenleiters 3 erzielt werden. Eine Absorption von 20 % entlang des Messwellenleiters 3 entspricht einer Verringerung der Querschnittsfläche vom Beginn des dotierten Messwellenleiters 3 bis zum Ende um 20 %. Im Rechenbeispiel entspräche dies einer Verringerung der Querschnittsfläche von 75 IO ^-6 cm ² auf 60 10 ^-6 cm ² beziehungsweise bei einer quadratischen Querschnittsfläche einer Verringerung der Kantenlänge von = 86 mhi auf l ₂ =

77 mhi.

In Figur 7 ist ein Magnetfeldgradiometer 1 ähnlich dem in Figur 1 gezeigten dargestellt. Anders als in Figur 1 sind hier zwei Mikrowellenemitter 24 in Form von Split-Ring-Resonatoren dargestellt, es können aber auch andere Mikrowellenemitter 24 eingesetzt werden. Auch kann die Zahl der Mikrowellenemitter 24 von zwei abweichen. Die Mikrowellenemitter 24 dienen zur Beaufschlagung der Messwellenleiter 3 mit identischen Mikrowellenfeldern.

Ferner ist in Figur 7 eine Magnetfeldquelle 25 zur Beaufschlagung der Messwellenleiter 3 mit einem Bias-Magnetfeld B ₀ dargestellt. Das Bias-Magnetfeld B ₀ , das in beiden Messwellenleitern 3 zumindest näherungsweise den gleichen Betrag und die gleiche Richtung hat, ermöglicht eine Magnetfeld-Vektormessung. Bei der dargestellten Magnetfeldquelle 25 handelt es sich um zwei stromdurchflossene voneinander beabstandete Helmholtzspulen, wobei eine Stromquelle 26 zur Bereitstellung des elektrischen Stromes dient. Anders als hier dargestellt können aber auch andere Magnetfeldquellen 25, beispielsweise Permanentmagnet- Anordnungen z.B. vom Halbach-Typ, eingesetzt werden.

Die Figuren 8a und 8b zeigen beispielhaft Magnetfeldgradiometer-Arrays 27 umfassend eine Mehrzahl von Magnetfeldgradiometern 1 , die wie oben beschrieben ausgebildet sind. Die Messwellenleiter 3 und die weiteren Wellenleiterstrukturen 8 der Magnetfeldgradiometer 1 sind im dargestellten Fall, aber nicht notwendigerweise, aus demselben Diamant-Kristall 7 gefertigt, der außerdem als Substrat dient.

In Figur 8a sind die Magnetfeldgradiometer 1 entlang einer Achse, in Figur 8b hingegen in einer Ebene angeordnet. Die Anzahl der Magnetfeldgradiometer 1 in den Magnetfeldgradiometer-Arrays 27 kann von der dargestellten Anzahl abweichen.

Über eine Stapelung mehrerer Magnetfeldgradiometer-Arrays 27, wie sie in Figur 8b dargestellt sind, erhält man ein nicht bildlich dargestelltes dreidimensionales Magnetfeldgradiometer-Array.