Simulation of diamond micro-optics and characterisation of fibre-coupled diamond defects

Abstract

Gegenwärtig entstehen viele neue Anwendungsfelder aus der Stickstoff-Fehlstellen-Zentrumsforschung - sei es im Bereich der Quanteninformations- und Kommunikationstechnologien, in der Quantenmetrologie oder in den Biowissenschaften. Die meisten Anwendungen und Experimente benötigen die Möglichkeit einer verlässlichen und effizienten Messung des Fluoreszenzlichtes der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren. Um das in unserem Experiment zu erreichen, wurden verschiedenen Arten von Linsen, zur Fokussierung des Fluoreszenzlichtes, in Simulationen mit der Software 'Comsol Multiphysics' im ersten Teil dieser Arbeit verglichen. Darauf folgend wurde der ausgewählte Linsentyp durch numerische Optimierung verbessert. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Konstruktion eines neuen Aufbaues für direktes Faserkoppeln des Fluoreszenzlichtes der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren. Wir testeten Methoden des Aufbaues und führten Magnetometriemessungen mit Hilfe von optisch detektierter magnetischer Resonanz durch. Zukünftig werden wir einen ähnlichen Aufbau mit einem einzelnen gekoppelten Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum konstruieren um das Zentrum als Qubit, als Einzelphotonenquelle und für die Erforschung der Stickstoff-Fehlstellen-Zentrumsphysik zu verwenden.

At present many new application fields are emerging from nitrogen-vacancy centre research - be it in quantum information and communication technologies, in quantum metrology or even in life sciences. Most applications and experiments require the possibility of reliable high efficiency measurements of the nitrogen-vacancy centre fluorescence light. In order to achieve that in our experiment different types of lenses, for focusing the fluorescence light, were compared in simulations with the software 'Comsol Multiphysics' in the first part of this thesis. Subsequently, the chosen type of lens was improved in a numerical optimization. The second part of the thesis proceeds with the assembly of an experimental apparatus for direct fibre coupling of the nitrogen vacancy centre fluorescence light. We tested a method of assembly and conducted magnetometry measurements by means of optically detected magnetic resonance. In the future we are going to construct a similar setup with a coupled single nitrogen vacancy centre to use it as a qubit, as a single photon source and for the study of the nitrogen vacancy centre physics.