Фотовозбуждаемый алмазный NV^--лазер

Д.Е. Генин^1,2, А.Д. Саввин^2,3, к.ф.-м.н. Е.И. Липатов^1,2, 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

1. 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
2. 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»