ЛАЗЕРЫ НА NV-ЦЕНТРАХ В АЛМАЗЕ КАК ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ФОТОННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВ0-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС

ЛАЗЕРЫ НА NV-ЦЕНТРАХ В АЛМАЗЕ КАК ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ФОТОННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

1* 12 1 3 4 5

Генин Д.Е. 1 , Липатов Е.И. 12, Самолов А.В.Винс В.Г. 3, Елисеев А.П. 4, Саввин А.Д. 5

1 Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск 2 Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск 3 ООО «Велман», г. Новосибирск 4 Институт геологии и минералогии им. Соболева СО РАН, г. Новосибирск 5 ВНИИА им. Духова, г. Москва * E-mail: [email protected] DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-84-84

Известны десятки центров окраски алмаза, демонстрирующие яркую люминесценцию. Однако наиболее просто в синтетическом алмазе создаются центры типа «азот-вакансия» (NV-центры). Данные центры активно используются при создании квантовых сенсоров магнитного поля, угла поворота, ускорения и др. Кроме того, предполагается применение NV центров в качестве кубитов, способных работать при комнатной температуре. Во всех этих случаях для работы устройства необходимо подавать на него излучение лазера накачки с энергией кванта, соответствующей переходу между рабочими уровнями. В связи с этим является актуальным создание источников лазерного излучения на основе центров окраски алмаза. В случае реализации такого устройства становится возможным создание интегрального устройства на основе алмаза, имеющего в своём составе как квантовый сенсор (или кубит), так и управляющий его работой лазер. Впервые лазерная генерация на алмазе была получена в работе [1]. Использовался алмаз, содержащий центры H3, полоса генерации имела максимум на длине волны 530 нм. Использовался алмаз природного происхождения, возможно из-за этого работа не получила развития (т.к. характеристики алмаза были невоспроизводимы). Похожие результаты (правда с существенно меньшим КПД) были получены в работе [2], однако после этого они не были воспроизведены ни одной научной группой в мире. В 2021 г. в работе [3] впервые была получена лазерная генерация на алмазе, содержащем NV-центры. Полоса генерации имела максимум около 720 нм. Накачка производилась импульсным лазером с длиной волны 532 нм. Энергия импульса генерации на NV-центрах была оценена в 10 нДж.

Настоящий доклад посвящён результатам, полученным нашим коллективом в процессе исследования лазерной генерации на NV-центрах в алмазе.

Предпринята попытка определить оптимальный для получения лазерной генерации примесно-дефектный состав образца. Установлено, что при активной длине 3-4 мм минимальная концентрация NV-центров составляет порядка 6 ppm, замещающего азота - порядка 150 ppm. Однако для увеличения энергетических параметров генерации необходимы образцы с большим содержанием NV-центров. Вторым важным результатом стало обнаружение следующего интересного эффекта: при подаче на кристалл алмаза дополнительной подсветки, не попадающей в контур поглощения NV-центров (лазерное излучение на 405 нм), имеющей существенно меньшую (на несколько порядков) интенсивность, чем основная накачка, энергия импульса генерации на NV-центрах существенно возрастает, вплоть до 3.5 раз. Предположительно, данный эффект обусловлен поглощением NV-центрами излучения от других примесно-дефектных центров, содержащихся в алмазных образцах, спектр излучения которых попадает в контур поглощения NV-центров.

Максимальная полученная на данный момент энергия импульса генерации лазера на NV-центрах в алмазе составляет 48 мкДж, КПД находится на уровне 1%. Полоса генерации имеет максимум около 715 нм, ширина линии на полувысоте порядка 6 нм. Уже в нынешнем виде такой лазер способен стать частью фотонного устройства, особенно если речь идёт об эксплуатации такого устройства в условиях радиационного облучения, т.к. алмаз обладает высокой по сравнению с многими другими материалами радиационной стойкостью. Кроме того, потенциально возможно получения на алмазе генерации в непрерывном режиме (в связи с тем, что лазер работает по четырёхуровневой системе, где нижний уровень всегда пустой), а также генерации с длительностью импульса в сотни-десятки фемтосекунд (за счёт широкого контура усиления). Всё это вместе делает лазер на NV-центрах в алмазе перспективным источником излучения для многих применений. Литература

1. S.C.Rand andL.G.DeShazer. Optics Letters Vol. 10, No. 10. (1985)

2. Talceru Nalcashima, Shuji Yazu. SPIE Vol. 1325 Diamond Optics 111(1990)

3. Savvin A., Dormidonov A., Smetanina E. et al., Nat Commun 12, 7118 (2021)

84

№6 2023 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2023»

[email protected]