CC BY
37DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-175-176
СВЕРХЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ЛАЗЕРНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ НА ^ ЦЕНТРАХ В АЛМАЗЕ
Липатов Е.И.1'2, Генин Д.Е.1'2, Шулепов М.А.1'2, Тельминов Е.Н.1, Саввин А.Д.1, Елисеев А.П.3, Винс В.Г.4
'Национальный исследовательский Томский государственный университет, г. Томск
Институт сильноточной электроники СО РАН, г. Томск огии и минералогии СО РАН, ЮО «Велман», г. Новосибирс E-mail: elipatov@mail.tsu.ru
3Институт геологии и минералогии СЮ РАН, г. Новосибирск 4ЮЮЮ «Велман», г. Новосибирск
Рис. 1. Спектры излучения фотовозбуждаемого алмазного МУ-лазера в режиме сверхлюминесценции (усиленного спонтанного излучения)
Оптически активные центры в алмазе, содержащие вакансию и примесные атомы Si, Ge и
др.), характеризуются высокой фотостабильностью, спектрами поглощения и люминесценции в видимом диапазоне, характеристическими временами люминесценции в масштабе десятков наносекунд [1-3]. Большинство из упомянутых центров сравнительно несложно создать в алмазном образце в процессе синтеза алмаза и/или его послеростовой радиационно-термической обработки.
Указанные фотоактивные центры характеризуются различным электрон-фононным взаимодействием и спиновыми состояними, поэтому для квантовых информационных технологий возникает широкий выбор возможностей. -центры характеризуются интенсивным фононным крылом, тремя зарядовыми состояниями и целым спином в отрицательном зарядовом состоянии. N2V-центры характеризуются высокой эффективностью возбуждения электронами из зоны проводимости, свечением в зеленой области видимого спектра и высоким коэффициентом усиления вынужденного излучения. Центры, содержащие вакансию и элемент четвертой группы ф, Ge, Sn), характеризуются высокой интенсивностью бесфононной линии и слабым фононным крылом, как минимум двумя зарядовыми состояниями и полуцелым спином в отрицательном зарядовом состоянии.
Для задач квантовых вычислений наиболее перспективными являются №У"- и $^--центры. Для управления кубитами на основе и $^--центров, помимо СВЧ-излучения, необходимо использовать видимое излучение в диапазоне фононного крыла поглощения этих фотоактивных центров. Для №У"-центров это диапазон ~ 520-630 нм, для $ГУ--центров — 690-730 нм.
104 В работе была впервые получена
сверхлюминесценция и лазерная генерация на центрах в алмазе при оптической накачке пико- и наносекундной длительности на длине волны 532 нм с интенсивностью 0.5-500 МВт/см2. Положение максимума полосы усиления варьировалось для различных образцов в диапазоне 714-722 нм, т.е. на длинноволновом плече фононного крыла фотолюминесценции №У--центров.
Сверхлюминесценция (усиленное спонтанное излучение) №У--центров наблюдалась при отсутствии положительной обратной связи (резонатора) за счет волноводного эффекта внутри плоскопараллельной алмазной пластины [4]. Спектры сверхлюминесценции четырех алмазных образцов с различным примесно-дефектным составом приведены на Рис.1.
При наличии положительной обратной связи наблюдалась полноценная лазерная генерация [5]. На Рис.2 приведены спектры лазерной генерации на №У"-
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 175
650 700 750 800 BS0
Длина волны,нм
Рис. 2. Спектры излучения фотовозбуждаемого алмазного NV-лазера в режиме генерации лазерного излучения
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021»
центрах в одном из алмазных образцов при различной интенсивности излучения накачки на 532 нм.
Усиление имело место в областях алмазных кристаллов, содержащих более 5 ppm NV-центров и более 150 ppm замещающего азота, но не наблюдалась в областях кристалла с меньшим содержанием азота. Импульсы сверхлюминесценции или лазерной генерации наблюдались на переднем фронте импульса оптического возбуждении на 532 нм.
В дальнейшем предстоит выяснить влияние на данный эффект примесно-дефектного состава образца для широких интервалов значений концентраций и длины волны оптической накачки, рассчитать и измерить коэффициенты усиления и потерь в образцах, наблюдать генерацию лазерного излучения при наличии обратной связи (резонатора), объяснить природу возникновения усиления в фононном крыле фотолюминесценции NV-центров, а также проверить наличие наблюдаемого эффекта для других центров H3 (N2V), SiV, NV+ и др.
Алмазные лазеры в интегральном исполнении потенциально могут являться элементом фотонных интегральных схем для задач квантовых вычислений, криптографии, сенсорики.
Исследование было выполнено в рамках государственного задания Минобрнауки России, проект №°0721-2020-0048.
Литература
1. Dobrinets I.A., Vins V.G., Zaitsev A.M. HPHT-TreatedDiamonds//Springer Ser. Math. Sci. 181, 1-270 (2013)
2. Lobaev M.A., Radishev D.B., Bogdanov S.A. et al. Diamond p-i-n diode with nitrogen containing intrinsic region for the study of nitrogen-vacancy center electroluminescence // Phys. Status Solidi 14, 2000347 (2020)
3. Pezzagna S., Meijer J. Quantum computer based on color centers in diamond//Appl. Phys. Rev. 8, 011308 (2021)
4. Lipatov E., Genin D., Shulepov M. et al. Superluminescence at the phonon wing of NV centers in diamond under the optical pumping at 532 nm // OSA Continuum (in press)
5. Savvin A., Dormidonov A., Smetanina E. et al, NV Diamond Laser // Nature Communications (in press) https://arxiv. org/ftp/arxiv/papers/2103/2103.03 784.pdf
176
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021»
www.fotonexpres.ru
fotonexpress@mail.ru
