Development of laser subsystem for OSCAR-QUBE sensor: testing and characterization of performance in pulsed and continuous-wave operation

Jeffrey Gorissen
Persbericht

Van thesis in België naar hoogtechnologisch kompas in een baan rond de aarde

Magnetische velden zijn overal rondom ons terug te vinden. Vogels gebruiken het om hun jaarlijkse trektochten te doen, de medische wereld gebruikt het in onder andere MRI scanners, en iedereen met een smartphone gebruikt het voor navigatie. Heel alledaags dus eigenlijk, of niet?

Aan de UHasselt heeft een multidisciplinair team van studenten meer dan een jaar lang gewerkt aan de OSCAR-QUBE, een kleine kubus ter grootte van slechts 10 bij 10 bij 10 centimeter en een gewicht van maar 420 gram. Met deze kubus willen ze het magnetisch veld van de aarde in kaart brengen, en dat velen malen preciezer dan ooit tevoren. Het is een verhaal van doorzettingsvermogen en teamwerk ten tijde van lockdowns en thuiswerken.

ESA – De Europese Ruimtevaartorganisatie

Het kost heel veel geld om onderzoek te kunnen doen in de ruimte, maar er stroomt ook heel veel kennis terug naar de industrie op aarde. Dit zorgt op zijn beurt voor groeiende en bloeiende economieën. ESA steunt studenten in hun onderzoek met behulp van verschillende programma’s waarin ze kunnen mee doen. Zo hebben de studenten van OSCAR-QUBE meegedaan aan het “Orbit Your Thesis!” programma van ESA Education. Hierin hebben de Limburgse studenten acht andere Europese teams verslagen met hun idee. Een team van professionals en experten achtte het OSCAR-QUBE project het beste van de hoop, waarna ze uitgekozen werden om hun project effectief te verwezenlijken.

Na meer dan een jaar werken aan hun project was het moment waar de studenten lang naar hadden uitgekeken eindelijk daar: de lancering. Op zondag 29 augustus werd de OSCAR-QUBE gelanceerd aan boord van een SpaceX raket vanuit Cape Canaveral bij het Kennedy Space Center in Florida. Op donderdag 2 september werd de OSCAR-QUBE geïnstalleerd aan boord van het internationaal ruimtestation ISS door de Franse ESA astronaut Thomas Pesquet. Hierna konden de studenten eindelijk beginnen met het uitvoeren van hun metingen in de ruimte.

oscar launch 2de poging 01
- Het hele team viert de succesvolle lancering

 Van kompas naar kubus

Een kompas werkt met een gemagnetiseerde naald die naar het magnetische noorden van de aarde wijst. Maar de OSCAR-QUBE, die is toch nog net een tikkeltje specialer. Het is namelijk een op diamant-gebaseerde kwantum magnetometer. Een moeilijke benaming om te zeggen dat het met behulp van de speciale eigenschappen van diamant mogelijk is om het magnetische veld te meten.

Nu heeft een diamant een speciale structuur in drie dimensies, een kristal rooster. Het helpt hierbij om te denken aan het Atomium in Brussel. Dankzij deze structuur kan de OSCAR-QUBE, in tegenstelling tot een kompas, magneetvelden in alle richtingen meten en herkennen. Diamant is daarnaast ook het hardste natuurlijke materiaal wat we als mensheid kennen, en als gevolg hiervan hebben temperatuurs- of drukveranderingen er geen invloed op.

De diamant die gebruikt wordt in de OSCAR-QUBE heeft kleine foutjes in het kristal rooster, deze worden NV centra genoemd. Dankzij deze foutjes kunnen we de diamant gebruiken om magneetvelden te meten. Om dit te kunnen doen moet de diamant door een groene laser belicht worden en tegelijkertijd bestraald worden met microgolfstraling. Die microgolfstraling zorgt, net als thuis bij het opwarmen van eten, voor energie. Het groene licht van de laser word in de NV centra opgenomen en terug vrijgegeven als rood licht. Dit rode licht is de sleutel tot ons probleem, de kleine veranderingen in het rode licht komen namelijk overeen met de veranderingen in het magnetisch veld.

SpaceApps-31
- Testen van de OSCAR-QUBE bij Space Application Services in Zaventem

Het belang van de laser

We weten nu dat we met diamant, microgolven, en laser licht een reactie kunnen opwekken in de diamant, namelijk het rode licht. Het is echter van groot belang dat de laser heel stabiel werkt, anders zou deze zelf de hoeveelheid rood licht kunnen beïnvloeden. Daarom is de hele OSCAR-QUBE, hoe klein hij nochtans is, opgedeeld in verschillende subsystemen. Laat hier het laser subsysteem er nu net een van zijn.

Het laser subsysteem zorgt ervoor dat de laser stabiel en op veilige temperaturen werkt. Het is namelijk zeer belangrijk dat het hele systeem niet oververhit raakt. Eenmaal in de ruimte konden de studenten natuurlijk geen aanpassingen meer doen. De sterkte van de laser kan vanop aarde aangepast worden om zo de perfecte hoeveelheid groen licht te produceren om de metingen uit te voeren.

Magneetveld van de aarde

Ondanks de recente lancering en installatie heeft het team niet stilgezeten. De data stroomt binnen, wat er voor zorgt dat de eerste metingen al gevisualiseerd kunnen worden. Zo konden de studenten reeds een gedeelte van de aarde opmeten tijdens het verblijf van de OSCAR-QUBE aan boord van het ISS.

aardeMagnetischVeld
- Voorlopige magnetische veldkaart van de aarde gemeten door de OSCAR-QUBE. De kaart toont voor 24 uur aan metingen.

Mogelijkheden in voor de toekomst

Met systemen zoals de OSCAR-QUBE kunnen we veel meer inzichten verwerven over onze aarde, zonnestormen, en navigatietechnieken. Verder kan de medische sector verbeterde scanners ontwikkelen en kan er met grote precisie gezocht worden naar mineralen en ertsen in de bodem. De hoop is dat ook u als lezer hier direct of indirect van mee kan profiteren.

Bibliografie

[1] “Materials science — rexus/bexus.” 2021 [Online], Available: http://rexusbexus.net/ experiments/scientific-research/materials-science/, [Accessed on May 23, 2021].

[2] “Magnetic field research — rexus/bexus.” 2021 [Online], Available: http://rexusbexus. net/experiments/scientific-research/magnetic-field-research/, [Accessed on May 23, 2021].

[3] L. Rondin, J.-P. Tetienne, T. Hingant, J.-F. Roch, P. Maletinsky, and V. Jacques, “Magnetometry with nitrogen-vacancy defects in diamond,” Reports on Progress in Physics, vol. 77, p. 056503, may 2014.

[4] P. R. W. HUDSON and P. P. PHAKEY, “Defects in natural type IB diamond,” Nature, vol. 269, pp. 227–229, Sept. 1977.

[5] A. Haque and S. Sumaiya, “An overview on the formation and processing of nitrogen-vacancy photonic centers in diamond by ion implantation,” Journal of Manufacturing and Materials Processing, vol. 1, p. 6, Aug. 2017.

[6] “Optical studies of the 1.945 eV vibronic band in diamond,” Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences, vol. 348, pp. 285–298, Feb. 1976.

[7] J. O. Orwa, C. Santori, K. M. C. Fu, B. Gibson, D. Simpson, I. Aharonovich, A. Stacey, A. Cimmino, P. Balog, M. Markham, D. Twitchen, A. D. Greentree, R. G. Beausoleil, and S. Prawer, “Engineering of nitrogen-vacancy color centers in high purity diamond by ion implantation and annealing,” Journal of Applied Physics, vol. 109, p. 083530, Apr. 2011.

[8] T. Wolf, P. Neumann, K. Nakamura, H. Sumiya, T. Ohshima, J. Isoya, and J. Wrachtrup, “Subpicotesla diamond magnetometry,” Phys. Rev. X, vol. 5, p. 041001, Oct 2015.

[9] M. W. Doherty, N. B. Manson, P. Delaney, F. Jelezko, J. Wrachtrup, and L. C. Hollenberg, “The nitrogen-vacancy colour centre in diamond,” Physics Reports, vol. 528, pp. 1–45, July 2013.

[10] J. M. Taylor, P. Cappellaro, L. Childress, L. Jiang, D. Budker, P. R. Hemmer, A. Yacoby, R. Walsworth, and M. D. Lukin, “High-sensitivity diamond magnetometer with nanoscale resolution,” Nature Physics, vol. 4, pp. 810–816, Sept. 2008.

[11] D. Griffiths, Introduction to quantum mechanics. Englewood Cliffs, N.J: Prentice Hall, 1995.

[12] A. Gruber, “Scanning confocal optical microscopy and magnetic resonance on single defect centers,” Science, vol. 276, pp. 2012–2014, June 1997.

[13] E. Bourgeois, M. Gulka, and M. Nesladek, “Photoelectric detection and quantum readout of nitrogen-vacancy center spin states in diamond,” Advanced Optical Materials, vol. 8, p. 1902132, Apr. 2020.

[14] S. A. Momenzadeh, R. J. St¨ohr, F. F. de Oliveira, A. Brunner, A. Denisenko, S. Yang, F. Reinhard, and J. Wrachtrup, “Nanoengineered diamond waveguide as a robust bright platform for nanomagnetometry using shallow nitrogen vacancy centers,” Nano Letters, vol. 15, pp. 165–169, Dec. 2014.

[15] P. Siyushev, M. Nesladek, E. Bourgeois, M. Gulka, J. Hruby, T. Yamamoto, M. Trupke, T. Teraji, J. Isoya, and F. Jelezko, “Photoelectrical imaging and coherent spin-state readout of single nitrogen-vacancy centers in diamond,” Science, vol. 363, pp. 728–731, Feb. 2019.

[16] J. F. Barry, J. M. Schloss, E. Bauch, M. J. Turner, C. A. Hart, L. M. Pham, and R. L. Walsworth, “Sensitivity optimization for NV-diamond magnetometry,” Reviews of Modern Physics, vol. 92, Mar. 2020.

[17] E. Bourgeois, A. Jarmola, P. Siyushev, M. Gulka, J. Hruby, F. Jelezko, D. Budker, and M. Nesladek, “Photoelectric detection of electron spin resonance of nitrogen-vacancy centres in diamond,” Nature Communications, vol. 6, Oct. 2015.

[18] K. Jensen, V. M. Acosta, A. Jarmola, and D. Budker, “Light narrowing of magnetic resonances in ensembles of nitrogen-vacancy centers in diamond,” Physical Review B, vol. 87, Jan. 2013.

[19] N. Bar-Gill, L. Pham, C. Belthangady, D. L. Sage, P. Cappellaro, J. Maze, M. D. Lukin, A. Yacoby, and R. Walsworth, “Spectroscopy of composite solid-state spin environments for improved metrology with spin ensembles,” arXiv preprint arXiv:1112.0667, 2011.

[20] K. Xia, “Spectroscopy of single rare earth solid-state qubits,” 2016.

[21] J. Hecht, The Laser Guidebook. New York Blacklick: McGraw-Hill Professional PublishingMcGraw-Hill Companies, The distributor, 1999.

[22] X. Qin, W. Zhang, L. Wang, Y. Zhao, Y. Tong, X. Rong, and J. Du, “An FPGA-based hardware platform for the control of spin-based quantum systems,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 69, pp. 1127–1139, Apr. 2020.

[23] U. M. Malzahn, “Driving laser diodes.” Apr. 2006 [Online], Available: https://www. ichaus.de/upload/pdf/laser-handout2ups.pdf, [Accessed on Oct 03, 2020].

[24] iC Haus, “ic-nzn n-type laser diode driver.” 2018 [Online], Available: https://www.ichaus. de/upload/pdf/NZN_datasheet_D1en.pdf, [Accessed on Oct 03, 2020].

[25] EUCommision, “Commission decision of 5 february 2014 on the safety requirements to be met by european standards for consumer laser products pursuant to directive 2001/95/ec of the european parliament and of the council on general product safety.” Feb. 5, 2014 [Online], Available: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/PDF/?uri=CELEX: 32014D0059&from=EN, [Accessed on Mar 5, 2021].

[26] O. P. Inc., “Optima laser diode application notes and glossary.” [Online], Available: http: //www.optima-optics.com/pdf/NOTES.PDF, [Accessed on Oct 10, 2020]. 90

[27] P. Horowitz, The art of electronics. New York, NY, USA: Cambridge University Press, 2015.

[28] T. Jarvis, “Best practice in circuit board design.” [Online], Available: http://home.iitb. ac.in/~pradeepsarin/students/tether/generalectronicsfundaes/EMCPCB.pdf, [Accessed on Oct 21, 2020].

[29] Altium, “Pcb design techniques to reduce emi.” [Online], Available: https://resources. altium.com/sites/default/files/uberflip_docs/file_731.pdf, [Accessed on Nov 09, 2020].

[30] Altium, “Via stitching and via shielding — altium designer 21 user manual — documentation.” Jan. 6, 2021 [Online], Available: https://www.altium.com/documentation/ altium-designer/via-stitching-and-via-shielding-ad, [Accessed on Feb 25, 2021].

[31] S. Ling, University physics. Houston, Texas Minneapolis: OpenStax College, Rice University, Open Textbook Library, 2016. [32] NASA, “Microgravity science on the iss.” 2021 [Online], Available: https://www.nasa. gov/pdf/501343main_Microgravity_Science.pdf, [Accessed on May 12, 2021].

[33] “ic-nz1d evaluation board description.” [Online], Available: https://www.distrelec.be/ Web/Downloads/_t/ds/iC-NZ-EVAL-NZ1D_eng_tds.pdf, [Accessed on Oct 03, 2020].

[34] “Thorlabs - l520p50 520 nm, 50 mw, Ø5.6 mm, a pin code, laser diode.” [Online], Available: https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=L520P50, [Accessed on Oct 03, 2020].

[35] I. Thorlabs, “L520p50 - 520 nm laser diode, 50 mw.” Apr. 2015 [Online], Available: https://www.thorlabs.com/drawings/ 364c8b5973220b0e-91B0955E-B45E-56BF-F567D4EE0D280670/L520P50-SpecSheet.pdf, [Accessed on Sept 25, 2020].

[36] “Thorlabs - pm100d compact power and energy meter console, digital 4” lcd.” [Online], Available: https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=PM100D, [Accessed on May 08, 2021].

[37] “Operation manual thorlabs instrumentation optical power and energy meter pm100d.” [Online], Available: https://www.thorlabs.com/drawings/ 60f30d5ca1b76ea4-07AAF1C7-C456-3469-C5E74F7914A2C9E8/PM100D-Manual.pdf, [Accessed on May 08, 2021].

[38] “Thorlabs - s121c standard photodiode power sensor, si, 400 - 1100 nm, 500 mw.” [Online], Available: https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=S121C, [Accessed on May 08, 2021].

[39] “Thorlabs - s121c compact photodiode power head with silicon detector - datasheet.” [Online], Available: https://www.thorlabs.com/drawings/ 60f30d5ca1b76ea4-07AAF1C7-C456-3469-C5E74F7914A2C9E8/S121C-SpecSheet.pdf, [Accessed on May 08, 2021].

[40] Maxim-Integrated, “Max5481–max5484 10-bit, nonvolatile, linear-taper digital potentiometer.” 2010 [Online], Available: https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/ MAX5481-MAX5484.pdf, [Accessed on Oct 14, 2020). 91

[41] “Tl-wr702n — 150mbps wireless n nano router — tp-link.” [Online], Available: https: //www.tp-link.com/us/home-networking/wifi-router/tl-wr702n/, [Accessed on May 06, 2021].

[42] “Flir i7 datasheet.” 2009 [Online], Available: https://www.instrumart.com/assets/ FLIR-i7-Data-Sheet.pdf, [Accessed on May 06, 2021].

[43] “Leybold trivac d 2.5 ld, rotary vane vacuum pump. operating instructions,.” [Online], Available: https://www.idealvac.com/files/ManualsII/Leybold_D_E2_5OI.pdf, [Accessed on May 08, 2021].

[44] Digilent, “Cmod a7 reference manual.” 2016 [Online], Available: https://reference. digilentinc.com/_media/cmod_a7/cmod_a7_rm.pdf, [Accessed on May 17, 2021].

[45] Digilent, “Analog discovery 2 reference manual.” 2015 [Online], Available: https://reference.digilentinc.com/_media/reference/test-and-measurement/ analog-discovery-2/ad2_rm.pdf, [Accessed on May 19, 2021].

[46] “Pcb design software & tools — altium.” [Online], Available: https://www.altium.com/, [Accessed on May 05, 2021].

[47] “Packet sender - free utility to for sending / receiving of network packets. tcp, udp, ssl..” [Online], Available: https://packetsender.com/, [Accessed on May 05, 2021].

[48] “Wireshark.” [Online], Available: https://www.wireshark.org/, [Accessed on May 05, 2021].

[49] “Matplotlib: Python plotting — matplotlib 3.4.1 documentation.” [Online], Available: https://matplotlib.org/, [Accessed on May 05, 2021].

[50] “Numpy.” [Online], Available: https://numpy.org/, [Accessed on May 05, 2021].

[51] R. Semiconductor, “Ba178mxx series application information.” 2020 [Online], Available: https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/ic/power/linear_ regulator/ba178mxx_app_info_an-e.pdf, [Accessed on May 22, 2021].

Universiteit of Hogeschool
Master in de Industriële Wetenschappen: Elektronica-ICT
Publicatiejaar
2021
Promotor(en)
Prof. dr. ir. Ronald THOELEN, Prof. dr. Milos NESLADEK
Kernwoorden
https://twitter.com/J3ffr3yG0r1ss3n
Share this on: