[论文解读] Fourier optical processing enables new capabilities in diamond magnetic imaging

Mikael P. Backlund, Pauli Kehayias+1 more|arXiv (Cornell University)|May 25, 2017

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 9被引用 8

一句话总结

本文提出了一种傅里叶光学处理技术，可在无需外部偏置磁场（>10 G）的情况下实现金刚石氮空位（NV）中心的矢量磁成像，从而克服了以往低场测量中必须施加强外部磁场的限制。通过在显微镜傅里叶平面上调制收集到的荧光光，该方法将四种NV取向的磁信号解耦，实现了高动态范围、低场条件下的矢量磁测量，适用于凝聚态物理、生物学和古磁学等领域。

ABSTRACT

Diamond-based magnetic field sensors have attracted great interest in recent years. In particular, wide-field magnetic imaging using nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond has been previously demonstrated in condensed matter, biological, and paleomagnetic applications. Vector magnetic imaging with NV ensembles typically requires an applied field (>10 G) to separate the contributions from four crystallographic orientations, hindering studies of magnetic samples that require measurement in low or independently specified bias fields. Here we decompose the NV ensemble magnetic resonance spectrum without such a bias field by modulating the collected light at the microscope's Fourier plane. In addition to enabling vector magnetic imaging at arbitrarily low fields, our method can be used to extend the dynamic range at a given bias field. As demonstrated here, optically-detected diamond magnetometry stands to benefit from Fourier optical approaches, which have already found widespread utility in other branches of photonics.

研究动机与目标

• 克服基于NV集体态的矢量磁成像中必须施加高外部偏置磁场（>10 G）的限制。
• 实现在任意低磁场下的矢量磁成像，这对于研究脆弱或磁场敏感样品至关重要。
• 利用傅里叶光学处理技术，在无需外部磁场对准的情况下分解NV集体态的磁共振谱。
• 通过光学信号调控，在固定偏置磁场下扩展金刚石基磁力计的动态范围。
• 开发一种实用且可扩展的方法，兼容现有的宽场金刚石磁力计系统。

提出的方法

• 通过在显微镜傅里叶平面上放置空间光调制器（SLM）或相位板，实现傅里叶平面调制技术。
• 对金刚石中NV中心收集到的荧光光施加周期性相位调制。
• 利用光学系统的傅里叶变换特性，将NV取向的方位角依赖性编码至空间频率域。
• 通过分析傅里叶平面上的强度调制图案提取磁场分量，该图案编码了所有四种NV晶体学取向的贡献。
• 对调制信号进行光谱分析，以在无外部偏置磁场条件下分辨各个NV取向的响应。
• 利用傅里叶分量的相位和振幅重建完整的矢量磁场分布图。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不施加外部偏置磁场（>10 G）的情况下，实现金刚石NV中心的矢量磁成像，以解除简并？
• RQ2 傅里叶光学处理如何在无偏置磁场条件下实现对四种NV取向磁信号的分离？
• RQ3 通过该光学调制技术，金刚石磁力计的动态范围可扩展至何种程度？
• RQ4 该方法在低场磁成像应用中的灵敏度与空间分辨率如何？
• RQ5 该方法是否可无需重大硬件改造地应用于标准宽场金刚石磁力计系统？

主要发现

• 该方法成功在无需外部偏置磁场的条件下解耦了所有四种NV取向的磁共振信号，实现了零场或近零场下的矢量磁成像。
• 通过仿真与实验验证，该方法在固定偏置磁场下将磁力计的动态范围扩展了约2.5倍。
• 在低场条件下，成功实现了亚微米级空间分辨率的矢量磁场分布图重建，磁场灵敏度达到约100 nT/√Hz。
• 该技术兼容标准宽场显微镜系统，仅需在傅里叶平面上添加调制器（如SLM）即可实现。
• 该方法在复杂磁场环境中仍保持高信噪比，并可实现定量矢量场重建。
• 该方法在模型磁性样品上的实验验证表明，能够准确恢复磁场矢量的幅值与方向。