研究简介
在量子精密测量领域，基于钻石氮空位（NV）色心的光探测磁共振技术（ODMR）被视为最有前景的磁传感技术之一。然而，ODMR中的激光源波动噪声是钻石荧光信号的主要干扰源之一，严重制约了传感器的灵敏度探测极限。为解决这一问题，中国科学院上海微系统所传感器技术全国重点实验室武震宇研究员团队提出了一种创新方案：基于光栅干涉仪的压电MEMS主动光噪声抑制器。该装置通过调节参考光强并采用差分共模抑制技术，有效消除了激光波动噪声的影响，显著提升了磁场检测灵敏度。相关实验验证了使用这一装置后，钻石量子磁传感器的磁场灵敏度提高了34倍，达到了160 pT·√Hz。这一突破不仅完善了ODMR技术，也为集成化、小型化的高精度钻石量子磁传感器的实用化奠定了技术基础。相关研究成果以“Microfabricated Active Laser Noise Suppression Device for a High-Sensitivity Diamond Quantum Magnetometer”为题，发表于一区期刊ACS Photonics，第一作者为博士研究生王楠，通讯作者为陈浩研究员、程建功研究员和武震宇研究员。
研究背景
钻石量子磁传感器因其高集成度、高灵敏度、宽动态范围及宽工作温区等优点，在量子传感领域备受关注。此前，基于大型光学平台的差分系统已通过激光噪声抑制提高了磁场测量的灵敏度，展现出极高的探测极限潜力。然而，传统光学差分系统的复杂性限制了传感器的集成性与便携性，限制了传感器的实际工程应用。此外，交流场引起的荧光漂移也可能导致差分失效。基于此背景，本课题重点研究微型化、集成化、高精度的MEMS主动光噪声抑制器，以提高钻石量子磁传感器的灵敏度和稳定性。
研究亮点
该研究在团队已有的集成化钻石量子传感器的基础上，设计了基于光栅干涉原理的MEMS光噪声抑制器，用于高精度磁场探测。MEMS光噪声抑制器能够主动跟踪钻石荧光信号，确保在激光波动或强磁场下保持差分平衡，实现高精度实时检测，如图1所示。
图1 基于MEMS噪声抑制器的高精度钻石磁场探测系统
如图2所示，MEMS光噪声抑制器通过微系统所自主开发的SOI-MEMS（SDD）压电成套工艺制备，光栅结构由六轴臂悬梁支撑，采用金属共晶键合技术与具有高反射率镀金反射层的硅背板形成坚固的接触。压电层驱动光栅进行活塞运动调控衍射光强，蜂窝状结构和宽边缘设计减少高频驱动下的空气阻尼。
图2 (a)基于光栅的激光噪声抑制器的原理图；(b)光噪声抑制器的SEM图
基于紧凑的便携压电式光噪声抑制器的尺寸仅为毫米量级，将其与钻石量子磁传感器进行集成，对比无差分系统，传感器的灵敏度从5.49nT·√Hz变为160pT·√Hz，得到了34倍的提升(图3(a))。同时通过调整参考光强度主动跟踪荧光信号，完成了灵敏度优化过程，如图3(b)和(c)所示，当激光噪声完全抑制时，达到最佳检测极限。另外，可通过调整外部驱动电压来跟踪荧光信号，实现实时激光强度的平衡，降低长时间累积荧光漂移。这为钻石传感器的高灵敏度测量和长期稳定工作提供了核心技术支撑。
图3 (a)磁噪声密度谱；(b)-(c)灵敏度优化过程
总结与展望
本工作基于光栅干涉技术设计并通过标准微纳加工工艺实现了一种MEMS主动光噪声抑制器。该抑制器可通过对衍射参考光的精确调制主动跟踪荧光信号，并通过差分共模抑制激光噪声，与钻石磁传感器集成后，磁场测量灵敏度提升了34倍，达到了160 pT·√Hz。MEMS主动光噪声抑制器与钻石传感器的集成可以进一步完善和扩展基于ODMR原理的量子传感技术，加速钻石量子传感器的实际工程化应用落地。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01825
研究简介
在量子精密测量领域，基于钻石氮空位（NV）色心的光探测磁共振技术（ODMR）被视为最有前景的磁传感技术之一。然而，ODMR中的激光源波动噪声是钻石荧光信号的主要干扰源之一，严重制约了传感器的灵敏度探测极限。为解决这一问题，中国科学院上海微系统所传感器技术全国重点实验室武震宇研究员团队提出了一种创新方案：基于光栅干涉仪的压电MEMS主动光噪声抑制器。该装置通过调节参考光强并采用差分共模抑制技术，有效消除了激光波动噪声的影响，显著提升了磁场检测灵敏度。相关实验验证了使用这一装置后，钻石量子磁传感器的磁场灵敏度提高了34倍，达到了160 pT·√Hz。这一突破不仅完善了ODMR技术，也为集成化、小型化的高精度钻石量子磁传感器的实用化奠定了技术基础。相关研究成果以“Microfabricated Active Laser Noise Suppression Device for a High-Sensitivity Diamond Quantum Magnetometer”为题，发表于一区期刊ACS Photonics，第一作者为博士研究生王楠，通讯作者为陈浩研究员、程建功研究员和武震宇研究员。
研究背景
钻石量子磁传感器因其高集成度、高灵敏度、宽动态范围及宽工作温区等优点，在量子传感领域备受关注。此前，基于大型光学平台的差分系统已通过激光噪声抑制提高了磁场测量的灵敏度，展现出极高的探测极限潜力。然而，传统光学差分系统的复杂性限制了传感器的集成性与便携性，限制了传感器的实际工程应用。此外，交流场引起的荧光漂移也可能导致差分失效。基于此背景，本课题重点研究微型化、集成化、高精度的MEMS主动光噪声抑制器，以提高钻石量子磁传感器的灵敏度和稳定性。
研究亮点
该研究在团队已有的集成化钻石量子传感器的基础上，设计了基于光栅干涉原理的MEMS光噪声抑制器，用于高精度磁场探测。MEMS光噪声抑制器能够主动跟踪钻石荧光信号，确保在激光波动或强磁场下保持差分平衡，实现高精度实时检测，如图1所示。
图1 基于MEMS噪声抑制器的高精度钻石磁场探测系统
如图2所示，MEMS光噪声抑制器通过微系统所自主开发的SOI-MEMS（SDD）压电成套工艺制备，光栅结构由六轴臂悬梁支撑，采用金属共晶键合技术与具有高反射率镀金反射层的硅背板形成坚固的接触。压电层驱动光栅进行活塞运动调控衍射光强，蜂窝状结构和宽边缘设计减少高频驱动下的空气阻尼。
图2 (a)基于光栅的激光噪声抑制器的原理图；(b)光噪声抑制器的SEM图
基于紧凑的便携压电式光噪声抑制器的尺寸仅为毫米量级，将其与钻石量子磁传感器进行集成，对比无差分系统，传感器的灵敏度从5.49nT·√Hz变为160pT·√Hz，得到了34倍的提升(图3(a))。同时通过调整参考光强度主动跟踪荧光信号，完成了灵敏度优化过程，如图3(b)和(c)所示，当激光噪声完全抑制时，达到最佳检测极限。另外，可通过调整外部驱动电压来跟踪荧光信号，实现实时激光强度的平衡，降低长时间累积荧光漂移。这为钻石传感器的高灵敏度测量和长期稳定工作提供了核心技术支撑。
图3 (a)磁噪声密度谱；(b)-(c)灵敏度优化过程
总结与展望
本工作基于光栅干涉技术设计并通过标准微纳加工工艺实现了一种MEMS主动光噪声抑制器。该抑制器可通过对衍射参考光的精确调制主动跟踪荧光信号，并通过差分共模抑制激光噪声，与钻石磁传感器集成后，磁场测量灵敏度提升了34倍，达到了160 pT·√Hz。MEMS主动光噪声抑制器与钻石传感器的集成可以进一步完善和扩展基于ODMR原理的量子传感技术，加速钻石量子传感器的实际工程化应用落地。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c01825
