Д.Е. Генин1,2, А.Д. Саввин2,3, к.ф.-м.н. Е.И. Липатов1,2, к.ф.-м.н. А.Е. Дормидонов3, к.ф.-м.н. Е.О. Сметанина3, к.ф.-м.н. В.П. Митрохин3, к.ф.-м.н. М.А. Шулепов 1,2, к.ф.-м.н. Е.Н. Тельминов2, д.ф.-м.н. А.П. Елисеев4, д.ф.-м.н. В.Г. Винс5
1ИСЭ СО РАН, г. Томск
2ТГУ, г. Томск
3ВНИИА им. Духова, г. Москва
4ИГМ СО РАН, г. Новосибирск
5ООО «Велман», г. Новосибирск
Впервые в мире получена генерация лазерного излучения на NV-центрах в синтетическом алмазе в отрицательном зарядовом состоянии при оптическом возбуждении по четырехуровневой схеме. Сверхлюминесценция и генерация лазерного излучения были получены в HPHT алмазных образцах, содержащих до 2·1018 см-3 NV-центров и до 5·1019 см-3 замещающего азота, в фононном крыле фотолюминесценции NV–-центров в диапазоне 715-725 нм при ширине полосы на полувысоте 6-15 нм в зависимости от примесно-дефектного состава образцов. Порог сверхлюминесценции/генерации составлял 1-4 МВт/см2 при длительности импульса накачки ~10 нс. Накачка может производиться во всём контуре фононного крыла оптического поглощения NV–-центров (~500-620 нм) лазерным излучением наносекундной и субнаносекундной длительности. Достигнутая энергия в импульсе составляла до 48 мкДж при эффективности оптической накачки до 1 %. Генерация лазерного излучения на NV-центрах в алмазе с оптической накачкой предполагает создание фотонных интегральных схем на алмазе. Лазеры на NV-центрах в алмазе применимы в системах квантовой криптографии по атмосферным каналам связи, в квантовых компьютерах и сенсорах для управления SiV–-кубитами. Возможно получение генерации фемтосекундных импульсов на NV-центрах в алмазе с перестройкой длины волны во всей красной области спектра.
Рис. 1. Алмазный кристалл (а), алмазный лазер в держателе (б), энергия в импульсе алмазного лазера (в), спектр генерации алмазного лазера при накачке на 532 нм (г).
Публикации
- Savvin A., Dormidonov A., Smetanina E., Mitrokhin V., Lipatov E., Genin D., Potanin S., Yelisseyev A., Vins V. NV–diamond laser // Nature communications. – 2021. – V. 12. – P. 7118. doi.org/10.1038/s41467-021-27470-7
- Патент РФ на изобретение №2779410. Дата регистрации 06.09.2022. Фотовозбуждаемый алмазный NV–лазер. Авторы: Липатов Е.И., Генин Д.Е. и др.
Исследование было выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № 0721-2020-0048, проект № 0291-2021-0014).
Коллаборация
Работа выполнена в тесном взаимодействии между научными и производственными организациями Томска, Москвы и Новосибирска.
Приоритетные направления
1.3.5.2. Перспективные методы оптических квантовых вычислений и квантовых коммуникаций
1.3.5.5. Физика лазеров и лазерных материалов; нелинейные оптические явления
1.3.5.6. Новые оптические материалы, оптические элементы фотоники, интегральная оптика, голография, нанофотоника, метаматериалы и метаповерхности
1.3.5.7. Развитие методов фотоники для применения в технике и медицине
Результат представлен по решению Объединенного ученого совета по физическим наукам СО РАН (протокол от 24.12.2021) для формирования докладов Президенту Российской Федерации и в Правительство Российской Федерации о реализации государственной научно-технической политики в Российской Федерации и о важнейших научных достижениях, полученных российскими учеными в 2021 году.
Результат получен сотрудниками ЛОИ в кооперации с НИ ТГУ, ИГМ СО РАН, ВНИИА им. Духова, ООО «Веллман»
