Superluminescence at NV-centers in synthetic diamond pumped by laser radiation in the range of 532-575 nm.pdf Введение NV-центры в синтетическом алмазе находят различные применения в высоких технологиях, включающих квантовую сенсорику [1, 2], квантовые вычисления [3-5], однофотонные источники [5], детектирование высокоэнергетических частиц [6], биотехнологии [7] и др. Недавно нами впервые была продемонстрирована генерация лазерного излучения на NV-центрах в алмазе в отрицательном зарядовом состоянии при наносекундной оптической накачке [8]. Генерация имела место быть в широком контуре усиления ~ 20 нс с максимумом на 720 нм, т.е. на длинноволновом плече фононного крыла фотолюминесценции. Для увеличения эффективности и энергии в импульсе алмазных NV-лазеров необходимо подробно изучить примесно-дефектный состав лазерных элементов, для того чтобы выявить факторы, ограничивающие эффективность генерации. Исследование сверхлюминесценции (усиленного спонтанного излучения) в алмазных NV-лазерных кристаллах является одним из способов изучения подпороговых явлений, в том числе трансформации зарядовых состояний NV-центров, потерь на самопоглощение и других эффектов, влияющих на усиление [9]. В настоящей работе мы демонстрируем, что длина волны и контур сверхлюминесценции NV--центров в алмазных лазерных элементах не зависят от длины волны оптической накачки в диапазоне 532-575 нм. Методы и материалы В работе исследовались алмазные кристаллы, выращенные методом температурного градиента в условиях высокого давления и высокой температуры (ВДВТ). Исследуемые образцы имели форму плоскопараллельных пластин разной толщины. Характеристики исследуемых образцов представлены в таблице. Характеристики исследуемых образцов алмаза Обозначение образца Размеры, мм Зарядовое состояние С93 2.19 1.98 0.5 NV- С43 3.79 3.34 0.25 NV- На рис. 1 приведены фотографии исследованных алмазных образцов С93 (а) и С43 (б). Данные образцы содержат NV-центры в отрицательном зарядовом состоянии на уровне 1-10 ppm или (1.7-17) 1017 см-3. Помимо NV-центров образцы содержат 100-200 ppm или (170-340) 1017 см-3 замещающего азота, который обеспечивал необходимое положение уровня Ферми для пребывания невозбужденных NV-центров в отрицательном зарядовом состоянии. Рис. 2. Блок-схема экспериментальной установки оптической накачки алмазных образцов на 532 нм (а) и на 560 и 575 нм (б) для регистрации спектров их фотолюминесценции и сверхлюминесценции (в): 1 - излучение второй гармоники Nd:YAG-лазера на 532 нм, 2 - светофильтры, 3 - лазер на красителе, 4 - излучение накачки, 5 - цилиндрические линзы, 6 - алмазный образец, 7 - оптоволоконный световод, 8 - полихроматический спектрометр, 9 - персональный компьютер Рис. 1. Фотографии алмазных образцов, содержащих NV--центры: а - С93, б - С43 На рис. 2 показана экспериментальная установка для регистрации спектров люминесценции и сверхлюминесценции NV--центров в алмазных образцах. Основой экспериментальной установки оптической накачки алмазных образцов являлась лазерная система LQ215*LG103T («SOLAR Laser Systems») на основе Nd:YAG-лазера и генератора второй гармоники на 532 нм. Излучение на выходе лазерной системы 1 (рис. 2) имело энергию 80 мДж/имп. при длительности импульса около 10 нс на полувысоте. Интенсивность лазерного излучения на 532 нм в интервале 0.1-50 МВт/см2 варьировалась набором светофильтров 2 типов НС1, НС2 и НС6. Для возбуждения люминесценции алмазных образцов на 532 нм использовалось непосредственно излучение второй гармоники (рис. 2, а). Для возбуждения люминесценции алмазных образцов на 560 и 575 нм с помощью излучения второй гармоники на 532 нм производилась накачка лазеров 3 на красителях пирометен и родамин соответственно (рис. 2, б). Излучение накачки 4 фокусировалось с помощью двух цилиндрических кварцевых линз 5 на поверхность алмазного образца 6 (рис. 2, в). Свечение фотолюминесценции алмазных образцов регистрировалось через малые грани. При увеличении интенсивности накачки выше 0.5-1.0 МВт/см2 наблюдалась полоса сверхлюминесценции на длинноволновом плече фононного крыла вибронной системы NV--центров. Свечение фотолюминесценции (рис. 2, в) через оптоволоконный световод 7, расположенный под углом 10-20 к оси образца, направлялось в полихроматический спектрометр 8 HR2000+ES («OceanOptics Inc.») с известной спектральной чувствительностью в диапазоне длин волн 190-1100 нм и разрешением ~ 0.9 нм. После автоматической программной обработки измеренный спектр передавался в персональный компьютер 9. Каждый измеренный спектр фотолюминесценции представляет результат усреднения по трем измерениям. Результаты и их обсуждение На рис. 3 приведены спектры фотолюминесценции алмазных образцов С93 и С43 при возбуждении лазерным излучением на 532 (а, б), 560 (в, г) и 575 нм (д, е). При интенсивностях накачки менее 0.5-1.0 МВт/см2 для всех длин волн накачки наблюдались типичные спектры фотолюминесценции NV--центров в алмазе [9, 10]. Рис. 3. Спектры фотолюминесценции алмазных образцов С93 (а, в, д) и С43 (б, г, е) при возбуждении на 532 (а, б), 560 (в, г) и 575 нм (д, е) При увеличении интенсивности накачки выше 0.5-1.0 МВт/см2 для всех длин волн накачки в диапазоне 700-760 нм наблюдалась полоса сверхлюминесценции с максимумом на 720 нм для образца С93 и на 715 нм для образца С43. Сверхлюминесценция, или усиленное спонтанное излучение NV--центров, наблюдалась за счет волноводного эффекта (см. [9]). Отметим, что для образца С43 при интенсивности накачки выше 10 МВт/см2 интенсивность фононного крыла вибронной системы фотолюминесценции составляла менее 3% от интенсивности полосы сверхлюминесценции на 715 нм, т.е. фактически образец С43 выходил в режим генерации, демонстрировал лазерное излучение с оптической накачкой. Важный результат данной работы состоит в том, что положение полосы сверхлюминесценции для образцов С93 и С43 не зависело от длины волны накачки, т.е. было постоянным для оптического возбуждения на длинах волн 532, 560 и 575 нм. Таким образом, наблюдаемая сверхлюминесценция NV--центров не может быть проявлением многоволнового смешения, комбинационного рассеяния или параметрических явлений. Заключение Для двух синтетических алмазных образцов, выращенных методом температурного градиента в ВДВТ-условиях, содержащих 1-10 ppm NV--центров (в отрицательном зарядовом состоянии) и 100-200 ppm замещающего азота, продемонстрирована независимость положения полосы сверхлюминесценции в области 700-760 нм с максимумами на 715 и 720 нм от длины волны оптической накачки на 532, 560 и 575 нм при интенсивностях возбуждения 0.24-12.8 МВт/см2.

Скачать электронную версию публикации