Fraunhofer IAF金刚石激光系统实现100%磁场读出光学对比度

Fraunhofer IAF的研究人员开发出一种激光增强型量子传感器，兼具高磁场灵敏度和大动态范围。他们利用激光阈值磁强测量技术，与最先进的方法相比，将灵敏度与动态范围之比提高了多达590倍。这一突破得益于首次实现100%光学对比度，并结合了强激光读出信号。研究结果发表于《自然·通讯》（Nature Communications），为医学诊断、导航和资源勘探开辟了新的前景。

基于金刚石中氮-空位（NV）色心的磁场传感器是领先的固态量子传感器之一。它们可在室温下工作，能够集成到紧凑型设备中，并实现矢量磁强测量——即同时测量磁场的大小和方向。近期进展已将其灵敏度提升至亚pT/√Hz量级，这一范围适用于心脏信号检测。

然而，迄今为止，研究人员不得不做出权衡：灵敏度极高的传感器动态范围非常有限，而动态范围较大的更稳健型号则灵敏度低得多。

为解决这一局限，Fraunhofer应用固态物理研究所（IAF）的研究人员正在探索激光阈值磁强测量方法，该方法通过将高灵敏度与大动态范围相结合来缓解这种权衡。在这一方法中，金刚石中的NV色心作为光学元件直接集成到激光腔中，充当随磁场变化的损耗通道。研究人员不测量NV荧光，而是将系统的激光信号用作读出。

首次实现100%光学对比度

研究人员展示了这样一种双介质激光阈值磁强计。NV 色心与腔场的强耦合增强了传感器对磁场变化的响应。因此，该激光系统实现了 100% 的光学对比度，而不是 NV 磁测量通常只有百分之几的水平。它还提供相干激光读出信号，输出功率高达 50 mW，远高于传统 NV 荧光读出。

如果光子散粒噪声是主要噪声源，这种高对比度与强信号的结合可使磁场矢量三个分量中的每一个都获得低于 400 fT/√Hz 的灵敏度。该研究还首次通过实验证明，随着光学对比度接近 100%，可达到的灵敏度的提升超过线性增长。

最高提升 590 倍

灵敏度极限与动态范围之比至关重要，因为其中一个的改进通常以牺牲另一个为代价。与传统基于荧光的 NV 传感器和气室磁强计相比，NV 金刚石激光系统在保持矢量磁测量能力的同时，将这一比值提高了最多 590 倍。

"我们的方法可以解决长期以来限制磁场传感器发展和应用的权衡问题。它可以为新一代移动式高灵敏度磁场传感器铺平道路，"论文第一作者、Fraunhofer IAF 量子传感研究员 Florian Schall 说。

十年前，Fraunhofer IAF 量子传感组负责人 Jan Jeske 博士首次开发出基于含 NV 色心金刚石的磁场依赖性激光系统的理论模型。"大幅提高传感性能的前景促使我们长期致力于激光阈值磁测量。我非常高兴我们现在通过实验证明了激光阈值随磁场的移动，"Jeske 说。

这些量子传感器的潜在应用包括探测来自心脏、肌肉和大脑的生物磁信号；实现基于磁场的导航；以及识别磁异常，例如在资源勘探和安全应用中。

出版详情

Florian Schall 等，激光增强量子传感提升灵敏度和动态范围，Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-78386-z

这篇报道出自谁手？

Lisa Lock

艺术史学士，物质文化硕士。曾任博物馆编辑、急救人员和移植协调员。自2021年起为Science X担任编辑。 完整简介 →

Robert Egan

数学生物学学士，创意写作硕士。游历广泛，对科学和语言有独到见解。 完整简介 →

引用： 钻石激光系统在磁场读出中实现100%光学对比度（2026年10月22日） 检索于2026年10月22日 来自 https://phys.org/news/2026-10-diamond-laser-optical-contrast-magnetic.html

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