基于锥形光纤探针的全光纤集成NV色心量子电流传感器研究

针对工业级电流检测中传统传感器灵敏度不足和温度依赖性强的技术瓶颈，中国研究人员创新性地开发了全光纤集成氮空位(NV)中心量子传感系统。通过优化锥形光纤探针结构参数，使荧光收集强度提升7.1倍，实现1.83 nT/√Hz的磁场灵敏度，在0-5A直流检测中展现出±0.7%的稳定性，为电力系统非接触式精密测量提供了突破性解决方案。

　　

随着电力电子和可再生能源系统的快速发展，工业电流检测技术面临重大革新需求。传统霍尔元件(<100 mV/mT)和磁阻传感器存在灵敏度局限与显著温漂(>500 ppm/°C)，而超导量子干涉器件(SQUID)等量子传感器虽具飞特斯拉级检测能力，却受限于低温操作要求。氮空位(NV)中心作为金刚石中的原子级缺陷，凭借室温下<1 nT/√Hz的高灵敏度、宽动态范围和亚微米空间分辨率，成为量子传感领域的新兴平台。然而其实用化仍面临荧光收集效率低、系统集成度不足等挑战。

中国的研究团队在《Optics》发表论文，通过锥形光纤探针结构优化和全光纤熔接技术，构建了紧凑型NV中心电流传感系统。研究采用几何光学分析软件设计35.5782°锥角的90μm探针，结合连续波光学磁共振(CW-ODMR)技术，在532 nm激光与微波协同调控下实现自旋态操控。直流测试选用0-5A标准电流源，通过共振频移反演磁场变化。

测量原理
NV中心的基态三重态(³A₂)与激发态(³E)在磁场中发生塞曼分裂，通过检测微波共振频率对应的荧光强度变化，实现磁场-电流转换。理论计算显示优化探针可使荧光传播路径满足全反射条件。

实验结果
锥形探针在10-100 mW激光功率下荧光收集效率达多模光纤的7.1倍。系统在最佳参数下获得1.83 nT/√Hz灵敏度，电流-磁场响应为368.4 μT/A，R²值0.997。频率偏移的±0.7%不稳定性验证了系统稳定性。

结论
该研究通过创新性光纤探针设计，解决了NV中心荧光收集效率低的核心问题。全光纤集成方案兼具高灵敏度(1.83 nT/√Hz)与工程适用性，其368.4 μT/A的线性响应和±0.7%的稳定性，为智能电网故障诊断和变压器在线监测提供了首个可户外部署的量子传感方案。作者Yuhao Li等提出的锥角优化准则(35.5782°)为后续微型化设计建立了理论基础，标志着量子传感技术向实用化迈进的关键突破。