Noise Suppression via Pulsed All-Optical Magnetometry with Nitrogen-Vacancy Ensembles

技术摘要：通过氮空位（NV）系综脉冲全光学磁力计实现噪声抑制

问题陈述
利用金刚石中的氮空位（NV）中心进行全光学（AO）、无微波磁力计测量，与传统的微波驱动方案相比，提供了实验上的简化以及更广泛的样品兼容性。然而，标准的连续波（cw）全光学检测光致发光（PL）变化极易受到系统性波动的干扰，特别是光学强度噪声和机械不稳定性。虽然基于微波的协议可以通过归一化的“开/关”共振测量有效地抑制低频共模噪声，但连续波全光学方法通常依赖于利用幅度调制磁场的锁相放大检测来提高信噪比（SNR）。这种方法引入了设计复杂性，并存在扰动敏感样品（如超导材料）的风险。因此，需要一种既不需要调制磁场也不需要微波辐照，且能抑制共模噪声的全光学协议。

方法论
作者引入了一种被称为“单-$\tau$ 序列”的脉冲全光学协议，旨在解析近零磁场下的全光学 PL 对比度特征。该方法在单个光学脉冲内采用两次 PL 读取：信号读取（$I_{sig}$）在脉冲开始后不久进行，而参考读取（$I_{ref}$）在脉冲结束前进行。通过计算归一化强度比（$n = I_{sig}/I_{ref}$），该协议可以抑制同时影响这两次测量的共模噪声（例如缓慢的光学强度变化）。

实验使用了三种不同 NV 浓度（分别为 $\approx$3.8、2 和 0.3 ppm）的 CVD 生长金刚石样品（D1、D2、D3）。装置涉及将 532 nm 激光聚焦在金刚石上，并使用三轴亥姆霍兹线圈控制磁场。研究人员调查了全光学 PL 对比度对以下因素的依赖性：

1. 读取时间 ($t_r$)： 信号读取相对于光学脉冲开始的延迟。
2. 暗时间 ($\tau$)： 光学脉冲之间的持续时间。
3. 激光功率： 对比 57 mW 和 275 mW 的情况。

脉冲结果通过功率谱密度（PSD）分析，与传统的连续波全光学测量进行了基准对比，分析中包含了添加的人工光学强度噪声。

关键结果

• 对比度优化： 当信号读取紧随光学激发之后（$t_r \approx 1$ $\mu$s），且参考读取接近稳态时，全光学 PL 对比度达到最大。这种定时捕捉了在近零磁场下由 NV-NV 交叉弛豫引起的 PL 强度的瞬态降低。
• 暗时间依赖性： 实现最大对比度的最佳暗时间 ($\tau$) 取决于 NV 浓度。对于样品 D1 (3.8 ppm)，对比度在 $\tau \approx 2.5$ ms 时达到峰值；而对于样品 D2 (2 ppm)，峰值出现在更长的 $\tau$ 处。数据符合由两个时间尺度表征的双指数模型：$T_{cr}$（与 NV-NV 交叉弛豫相关）和 $T_{in}$（固有去极化）。较高的 NV 浓度会导致更强的偶极相互作用，从而缩短这两个时间尺度，并允许在较短的 $\tau$ 下获得更高的对比度。
• 噪声抑制： 在不存在添加噪声的情况下，脉冲协议在低频（接近 DC）方面实现了比连续波全光学方法高出 $\sim$10 dB（约 10 倍）的低频噪声底。在 10 Hz 以上，由于连续波方法具有显著更高的采样率（100 kS/s 对比 400 S/s），其优势减弱，表现出更低的噪声底。
• 对强度噪声的鲁棒性： 当引入 0.2% 幅度调制的的光学强度噪声时，脉冲协议保持了其 $\sim$10 dB 的低频优势，并且在 10–200 Hz 范围内比连续波全光学方法额外降低了 4–5 dB 的噪声底。这证明了在无需锁相检测或调制磁场的情况下，有效实现了共模噪声的抑制。

意义与主张
本文声称，所提出的脉冲全光学协议显著提高了近零磁场下 NV 系综磁力计的低频噪声性能。通过在单个光学脉冲内利用归一化测量，该方法有效地抑制了共模噪声，从而能够在无需复杂的幅度调制磁场或避免相关扰动风险的情况下，实现灵敏的直流磁测量。

作者指出，虽然目前的毫秒级暗时间限制了占空比和采样率，但这些发现为优化 NV-金刚石样品提供了关键见解。具体而言，使用具有更高氮浓度的样品可以缩短所需的暗时间，从而可能实现更高频率磁信号的更高采样率脉冲全光学测量。这项工作将该方法定位为一种可行的路径，用于开发能够在微波辐照或磁场调制不切实际的挑战性环境中运行的低尺寸、重量和功耗（低-SWaP）量子传感器。