## 激光增强量子传感提升灵敏度与动态范围：基于金刚石氮-空位中心的双介质激光阈值磁强计

《Nature Communications》：Laser-enhanced quantum sensing boosts sensitivity and dynamic range

　　

尽管基于金刚石中氮-空位（NV）中心的磁强计已成为最重要的固态量子传感器，但其系综的光学对比度通常仅限于百分之几。在此，研究人员展示了一种基于激光阈值磁强测量（laser threshold magnetometry, LTM）的NV系统，该系统在实现100%光学对比度的同时，输出信号强度高达50 mW。通过将NV中心集成到激光谐振腔内，研究人员展示了激光阈值随磁场的依赖性移动，使得激光系统可通过NV中心的磁共振被完全关闭。研究人员确定所有矢量分量的光子散粒噪声（photon-shot-noise, PSN）基本灵敏度极限低于400 fT/√Hz，并证明其随对比度的提升呈超线性改善。该灵敏度并非以通常所需的更窄线宽为代价，即保持了良好的固有动态范围。这为在磁屏蔽室外运行的高灵敏磁强测量提供了前景，其应用包括脑磁图（magnetoencephalography, MEG）、磁导航和磁异常探测。

磁场精密测量在生物医学诊断、导航和资源勘探等领域具有关键作用。超导量子干涉仪（SQUID）和蒸气室传感器等现有先进磁强计虽能实现fT/√Hz量级的优异灵敏度，但通常需要低温、加热或磁屏蔽环境，限制了其实用性。金刚石中的氮-空位（NV）中心可在室温下工作、具备固有的矢量测量能力并拥有较大的固有动态范围，成为极具前景的替代方案。然而，荧光型NV磁强计的灵敏度提升通常以压缩磁共振线宽为代价，导致固有动态范围降低；同时，荧光探测受限于有限的收集效率和自旋态之间的光学对比度。激光阈值磁强测量（laser threshold magnetometry, LTM）通过将NV金刚石作为激光谐振腔内元件，利用磁场相关的增益或损耗进行读出，理论上可在保持大动态范围的同时实现接近100%的光学对比度，从而缩小NV磁强计与SQUID之间的灵敏度差距。

研究人员在《Nature Communications》上报道了一种在1042 nm波长工作的双介质激光阈值磁强计。该系统将膜外腔表面发射激光器（MECSEL）作为增益介质，与NV掺杂金刚石共同置于同一激光谐振腔内，NV中心通过自旋依赖的单重态吸收为腔内提供磁场相关的损耗。通过将系统工作在激光阈值附近，研究人员实现了100%的光学对比度，即共振微波可使超过50 mW的激光输出完全关断。该系统在所有矢量分量上实现了低于400 fT/√Hz的光子散粒噪声（PSN）灵敏度极限，并首次实验证明了PSN灵敏度极限随对比度呈超线性改善的规律。同时，该系统在±280 μT的大固有动态范围内保持了优良的灵敏度，突破了以往灵敏度与动态范围之间的权衡限制。

在技术方法上，研究人员采用了两块来自Element Six公司的（100）取向Ib型高温高压（HPHT）金刚石样品：第一块经1800°C低压高温退火和1×10¹⁸ cm^?1电子辐照及1000°C退火处理，NV浓度达2.05 ppm（93% NV^?）；第二块采用更高辐照剂量（2×10¹⁸ cm^?1），NV浓度达3.77 ppm（92% NV^?）。MECSEL增益芯片包含11层InGaAs量子阱，以808 nm二极管激光泵浦；NV中心用532 nm激光光泵浦，并通过Lyot滤波片将激光波长调谐至1042 nm单重态零声子线。研究建立了基于速率方程的理论模型，通过解析稳态解对实验数据进行拟合验证，并利用连续波光探测磁共振（ODMR）协议进行磁场测量。

### 氮-空位金刚石双介质激光系统

通过测量激光功率曲线，研究人员发现共振微波将激光阈值从1.53 W移至1.82 W，斜率效率从22.0%降至18.7%，说明NV中心的单重态吸收随自旋态布居变化而增强。在1.82 W泵浦功率下，大于50 mW的激光信号被共振微波完全关断，实现100%光学对比度。此外，固定MECSEL泵浦功率而改变NV泵浦功率的测量进一步验证了NV吸收对激光系统的影响。理论模型仅通过调节单一参数即可复现实验曲线中的阈值和斜率效率变化，验证了模型的准确性。

### 磁场测量

在（100）偏置磁场下的连续波ODMR测量首次展示了NV磁强测量中的100%光学对比度。当MECSEL泵浦功率略微增加时，仍可获得97%的对比度和16 mW的基线信号。通过调节永磁体使四个NV晶格取向完全分裂，研究人员在矢量磁强测量构型中获得了八条共振谱线，并通过对MECSEL泵浦功率的简单调节使所有取向均达到100%对比度，证明双介质LTM可同时提升矢量磁强测量的对比度和信号强度。

### 灵敏度与动态范围

基于红色ODMR测量曲线的PSN灵敏度极限分析表明，考虑高对比度的通用公式能够准确给出最优灵敏度极限1160 fT/√Hz，而基于小对比度近似的常用公式则明显低估灵敏度极限，这是PSN灵敏度极限随对比度超线性改善的首次实验验证。采用更高NV浓度（3.77 ppm）的金刚石样品并调整实验参数后，所有矢量分量的PSN灵敏度极限均低于400 fT/√Hz，最灵敏的单一NV共振达到127 fT/√Hz的新纪录。第一块样品的固有动态范围为±280 μT（约为地磁场的5倍），而第二块样品通过线宽压缩将动态范围调至±40 μT，展示了灵敏度与动态范围之间的线性权衡关系。与现有技术对比，该系统在固有动态范围与PSN灵敏度极限之比上相较线性拟合值最大提升了590倍。

### 讨论与结论

该系统通过激光腔反馈实现了100%光学对比度和2–50 mW的强相干信号输出，其PSN灵敏度极限优于当前最佳的NV磁强测量结果，而整个系统仅采用简单的连续波ODMR协议。讨论部分指出，若进一步结合磁通汇聚器，原则上可实现亚fT/√Hz灵敏度；通过对激光系统进行主动腔稳定、单片集成和平衡探测等工程优化，实际灵敏度有望接近散粒噪声极限。该成果为在磁屏蔽室外、甚至在地磁场环境中无需反馈环路即可运行的紧凑型高灵敏磁强计铺平了道路，其应用前景涵盖脑磁图、磁导航和磁异常探测等领域。该研究展示了将激光增强机制用于提升量子传感器性能的原理，并有望推广至碳化硅等其他光学发射材料以及原子蒸气室等基于光学吸收的传感器体系。通过激光谐振腔的增强作用，研究人员为可控量子系统系综与激光输出的耦合提供了新视角，实现了改进的读出方案和传感器性能。