测量微小的磁场，比如脑电波产生的磁场，为医学诊断和治疗提供了许多新的机会。由Fraunhofer IAF的Jan Jeske博士领导的研究小组正在研究一种全球创新的精确磁场测量方法:激光阈值磁强计。

研究人员现在已经在谐振器中结合了NV钻石和激光二极管，首次成功地展示了具有两种有源介质的传感器系统。这篇题为“双介质激光系统:氮空位金刚石和红色半导体激光器”的论文发表在《科学进展》杂志上，代表了研究项目NeuroQ的重大进展。

基于金刚石氮空位(NV)中心的量子传感器已经广泛应用于室温和背景磁场下的精确磁场测量。激光阈值磁强计(LTM)是一种测量飞特斯拉(fT)至皮特斯拉(pT)极低磁场的新研究方法。

此外，LTM允许在不需要抑制背景场的情况下测量高动态范围。这些特点使得激光阈值磁强计在医学应用中特别有用，例如测量来自大脑或心脏的生物磁信号。

激光阈值磁强计原理

LTM的科学原理在理论上已经得到了广泛的研究。从那时起，弗劳恩霍夫应用固体物理研究所(IAF)的研究人员一直致力于实现第一台激光阈值磁强计。

基本概念是从NV中心开发激光器，并利用激光对磁场产生反应，以获得有关磁场强度和方向的精确信息。激光阈值是激光开始或停止发光的点。

由于接近激光阈值的磁场对信号有很强的影响，因此在这一点上可以非常精确地测量它们。与荧光灯相比，激光信号可以在更宽的动态范围内更精确地测量。

2022年，弗劳恩霍夫IAF的研究人员成功地展示了世界上第一个依赖磁场的NV中心光放大。然而，由于外部激光源的存在，NV中心的激光阈值还不能实现。

第一次演示激光阈值的控制

在目前的结果中，研究人员将NV钻石与第二种激光介质(用于额外光放大的激光二极管)结合在一个光学谐振器中。这使他们首次证明了激光阈值。根据NV中心被泵浦的强度，激光系统开启或关闭。

“这一结果是激光阈值磁强计发展的一个突破。在此基础上，具有高达100%对比度、强光信号和广泛可测量磁场强度的传感器可以在未来实现，”弗劳恩霍夫IAF量子传感器技术领域的研究员Jan Jeske博士说。

第一作者卢卡斯·林德纳(Lukas Lindner)的工作展示了灯塔项目“用于神经元通信接口的激光阈值磁力计”(简称NeuroQ)的早期阶段。NeuroQ项目团队目前正在进一步开发创新的NV钻石激光系统，该系统目前正在申请专利，并提高其灵敏度。