Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 3
Глава 1 Обзор литературы 6
1.1 Алмаз и его свойства 6
1.2 Способы Синтеза искусственных алмазов 7
1.2.1 Метод температурного градиента в ВДВТ условиях 7
1.2.2 Детонация взрывчатки 8
1.2.3 Химическое осаждение из газовой фазы (CVD - chemical vapor deposition) 9
1.3 Алмаз как лазерная активная среда 10
1.4 NV-центры 13
1.5 Степень разработанности 16
1.6 Методы исследования и экспериментальные образцы 17
1.6.1 Экспериментальные методы исследования 17
1.6.2 Экспериментальный материал исследования 18
Глава 2 Экспериментальная часть исследования 20
2.1 Влияние температуры на спектральные характеристики лазерной генерации на NV-центрах в
алмазе 20
2.2 Временные характеристики лазерной генерации на NV-центрах в алмазе 29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 41
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 43
В последнее время происходит рост интереса научного сообщества к возможности перехода от классической электроники, основанной на передаче сигнала посредством электрического тока по различным проводникам, к оптоэлектронике и интегральной оптике для уменьшения габаритов и весовых характеристик аппаратуры, а также для использования каналов передачи данных, имеющих большую защищенность и надежность, по сравнению с классическими решениями. Кроме того, происходит поиск решений, позволяющих различным приборам электроники и фотоники работать в экстремальных средах, в условиях высоких температур и значительного радиационного облучения [1].
В настоящее время алмаз нашел применение в различных приборах. К таким приборам можно отнести:
-Оптоэлектронные - фотодетекторы УФ и вакуумного УФ излучения, нечувствительные к видимому диапазону излучения [2-5], которые используются в профилометрах и датчиках лазерного излучения [6-8], а также в системах обнаружения открытого пламени [2],
-Алмазные детекторы ионизирующего излучения [9].
Различные примесно-дефектные центры перспективны для использования в качестве элементарных ячеек для квантовых вычислений (кубитов). Это связано с тем, что такие кубиты могут работать при комнатной температуре, в то время как для существующих решений требуется охлаждение.
Считается, что благодаря своему малому коэффициенту температурного расширения и высокой теплопроводности, лазер с алмазной активной средой сможет обеспечить лазерную генерацию с высокой интенсивностью и высокой частоте выходного излучения, что делает такое устройство перспективным не только в квантовых вычислениях. Как пример, существуют работы, по созданию устройства на основе алмазов, содержащих NV-центры, для магнитометрии. Преимущество использования лазера на алмазе характеризуется тем, что если использовать не спонтанное, а вынужденное излучения для измерения магнитного поля, то чувствительность измерений существенно вырастет.
Актуальность работы обуславливается тем, что процессы, протекающие внутри алмаза малоизучены, а понимание природы этих процессов является необходимым условием для создания лазера с алмазной активной средой, содержащей NV-центры. Создание такого лазера в перспективе позволит создавать квантовые вычислительные устройства на основе алмаза.
Цель работы заключается в получении лазерной генерации на алмазном образце, содержащем NV-центры, с изучением влияния температуры и различных параметров накачки на спектр генерации.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Проведение обзора научной литературы о люминесценции различных центров окраски в алмазе.
2. Создание экспериментальной установки для проведения экспериментов по регистрации спектров лазерной генерации на алмазных образцах при различных условиях температуры и накачки.
3. Проведение экспериментов по регистрации спектров лазерной генерации на NV-центрах в алмазе в диапазоне температур от 100 К до 300 К.
4. Проведение экспериментов по регистрации осциллограмм импульса генерации на NV-центрах в алмазе при различных параметрах накачки.
Объектом исследования является алмаз, содержащий азот-вакансионные центры.
Предметом исследования является влияние температуры и параметров накачки на характеристики лазерного излучения, генерируемого в алмазе, содержащем азот-вакансионные центры.
В данной работе выполнено исследование влияния температуры, параметров оптической накачки и дополнительного слабоинтенсивного излучения с длиной волны 405 нм на спектральные и временные характеристики лазерной генерации в алмазе, содержащем NV-центры.
Было обнаружено, что полоса лазерной генерации в алмазе, содержащем NV-центры, состоит из двух компонент, максимумы которых находятся друг от друга на расстоянии не менее 5 ±0.5 нм при температуре ниже 200 К, что может быть связано с излучением двух фононов с равной энергией и третьего фонона, вероятность генерации которого с той или иной энергией влияет на распределение интенсивности между компонентами полосы генерации.
Было обнаружено, что длительность импульса лазерной генерации в алмазе, содержащем NV-центры, существенно меньше длительности импульса накачки (не превышает 48%), что может быть вызвано поглощением, наведенным излучением накачки или лазерным излучением, генерируемым самим образцом.
Было обнаружено, что дополнительное облучение алмаза, содержащего NV-центры, дополнительным непрерывным низкоинтенсивным излучением на длине волны 405 нм увеличивает длительность импульса генерации на 1 ±0.1 нс длительность импульса генерации при длительности импульса накачки от 11 нс до 31 нс по основанию. Предположительно, влияние такого излучения слабо связано или не связано с наведенным поглощением, упомянутым выше, в силу малого влияния на длительность импульса генерации на NV-центрах в алмазе.
Была выдвинута гипотеза, что крыло поглощения NiV-(H2) центра попадает на полосу генерации NV-центра, а дополнительное низкоинтенсивное излучение на длине волны 405 нм способствует переходу N2V- центров в N2V0(H3) центры, чье крыло поглощения не попадает на полосу генерации NV-центров, что в свою очередь уменьшает потери в активной среде.
Полученные данные будут использованы в дальнейшей работе по изучению лазерной генерации в алмазе, содержащем NV-центры, и получению лучших характеристик генерируемого в алмазе лазерного излучения с целью дальнейшего создания полноценного лазерного устройства.
