Генерация лазерного излучения в алмазах, содержащих NV-центры тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Генин Дмитрий Евгеньевич

• Генин Дмитрий Евгеньевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Генин Дмитрий Евгеньевич

Введение

1 Получение лазерной генерации на кристаллах алмаза

1.1 Алмаз как материал для активного элемента лазера

1.2 Попытки получения лазерной генерации на различных центрах окраски, содержащихся в алмазе

1.3 Основные свойства и особенности NV-центров

1.4 Регистрация вынужденного излучения в алмазах, содержащих NV-центры

1.5 Рамановские лазеры на алмазах

1.6 Методы синтеза алмазов

1.7 Выводы по главе

2 Экспериментальная аппаратура и методики измерений

2.1 Алмазные образцы и их характеристики

2.2 Установка для исследования образцов методом pump-probe

2.3 Установка для получения лазерной генерации

2.4 Установка для получения лазерной генерации в образцах с различным примесно-дефектным составом

2.5 Погрешности измерений

2.5.1 Измерение энергии импульсов лазерного излучения

2.5.2 Измерение концентрации центров окраски в алмазных образцах

3 Получение лазерной генерации на NV-центрах в алмазе

3.1 Исследование алмазного образца, содержащего NV-центры методом pump-probe

3.2 Получение лазерной генерации на образце С29

3.3 Получение усиления излучения на образце С31

3.4 Генерация лазерного излучения в алмазных образцах, содержащих NV-центры, с оптимизированным примесно-дефектным составом

3.5 Энергетические характеристики лазерной генерации на NV-центрах в алмазе

3.6 Замечания об оптимальном способе синтеза алмазных образцов для изготовления активных элементов лазеров

3.7 Оценка коэффициента усиления алмаза с КУ-центрами

3.7.1 Общие положения

3.7.2 Эвристические возможности зависимости выходной мощности от уровня накачки Р(Рр)

3.7.3 Оценка показателя усиления К0 и его допустимых значений

3.7.4 Пробная оценка вредных потерь из экспериментальных данных

3.7.5 Дифракционные потери как важная часть вредных потерь Т. Оценка оптимальных коэффициентов отражения зеркал, порогового коэффициента усиления К0 с привлечением экспериментальных

данных

4 Исследование влияния коротковолновой подсветки на параметры лазерной генерации на КУ-центрах в алмазе

4.1 Эффект падения и восстановления усиления

4.2 Эффект влияния коротковолновой подсветки

Заключение

Список использованной литературы

80

Введение

Актуальность работы. Алмаз является перспективным материалом для приборов электроники и фотоники, способных работать в агрессивных средах, в условиях высоких температур и при значительном радиационном облучении [1]. Уже в настоящее время алмаз применяется для создания оптоэлектронных приборов - фотодетекторов ультрафиолетового (УФ) и вакуумного ультрафиолетового (ВУФ) излучения, нечувствительных к видимому диапазону [2-5]. Такие детекторы используются в профилометрах и датчиках лазерного излучения [6-8], в системах обнаружения открытого пламени [2]. Созданы также алмазные детекторы ионизирующих излучений [9]. Алмаз используется для изготовления теплоотводящих подложек для полупроводниковых приборов большой мощности. Исследуется возможность создания на основе алмаза высоковольтных коммутаторов с минимальной неоднозначностью срабатывания (джитером) [10, 11]. Однако, наряду с этим имеются широкие перспективы применения его в других направлениях.

Рассматривается возможность использования примесно-дефектных центров в алмазе, таких как NV, SiV, GeV, РЬУ, SnV (где V - вакансия) в качестве кубитов, т.е. элементарных ячеек для квантовых вычислений. Такие кубиты могут работать при комнатной температуре, в отличие от других вариантов их исполнения, например, атомов в магнитных ловушках, где требуется лазерное охлаждение до десятков мК.

Для осуществления операций с кубитами (инициализации, считывания и т.д.) в общем случае необходимо лазерное излучение с энергией кванта, соответствующей переходу между рабочими уровнями. С другой стороны, представляет интерес создание интегрального квантового вычислительного устройства, включающего в себя как кубиты, так и управляющие ими элементы. Таким образом, существует перспектива создания квантовых вычислительных устройств на основе алмаза, и, соответственно, необходимость создания лазера на его же основе.

В перспективе лазер на алмазе способен обеспечить генерацию с высокими частотами повторения импульсов и при больших уровнях интенсивности излучения за счёт высокой теплопроводности материала и малого коэффициента температурного расширения, т.е. он может быть интересен и для других применений, помимо квантовых вычислений. Например, существуют многочисленные работы по устройствам магнитометрии на основе алмазов с КУ-центрами. Использование лазерного излучения вместо спонтанного могло бы существенно повысить чувствительность таких приборов.

КУ-центр в отрицательном зарядовом состоянии (NV-) в спектре люминесценции как правило демонстрирует бесфононную линию (БФЛ) на длине волны 638 нм и т.н. фононное крыло, простирающееся вплоть до значений длин волн порядка 850 нм (рисунок 1) [12]. Лазерное излучение в этом диапазоне может быть использовано, например, для управления SiV кубитами.

Т---1---1-1-1---1---1---г

500

Длина волны, нм

Рисунок 1 - Спектр люминесценции алмазного образца, содержащего NV-центры в отрицательном (БФЛ на 638 нм) и нейтральном зарядовом состоянии

(БФЛ на 575 нм) [12]

Таким образом, исследования, направленные на создание лазера на КУ-центрах в алмазе, актуальны. Работа была выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект № Б81№М-2020-0048.

Степень разработанности. Попытки получить генерацию на центрах окраски алмаза предпринимались с 80-х годов 20 века. Имеются два сообщения о получении генерации на Н3-центрах [13, 14]. Исследования не получили развития, так как, во-первых, в [13] был использован алмаз природного происхождения, т.е. его характеристики были уникальны и невоспроизводимы в лабораторных условиях, а во-вторых, технологии создания Н3-центров в искусственных алмазах до сих пор развиты слабо. До настоящего момента этот результат не повторён. Получить лазерную генерацию на других центрах окраски в алмазе долгое время также не удавалось. Получилось лишь создать алмазный рамановский лазер, генерирующий за счёт эффекта вынужденного комбинационного рассеяния [15].

В работах [16-23] была неоднократно высказана идея о возможности получения лазерной генерации в алмазе, в т.ч. на NV-центрах. В работах [21-23] предпринимались попытки экспериментально получить лазерную генерацию на NV центрах, однако в силу разных причин удавалось только зарегистрировать усиление излучения, попадающего в кристалл от внешнего источника.

Таким образом, на момент начала работы лазерная генерация на NV-центрах в алмазе не была получена ни одной исследовательской группой в мире.

Цель диссертационной работы. Целью является определение условий получения лазерной генерации на NV-центрах в алмазе и выявление её основных особенностей. В рамках поставленной цели решались следующие задачи:

1. Обзор литературы, посвящённой центрам окраски в алмазе, и NV центрам в частности, их люминесценции при различных условиях накачки.

2. Создание экспериментальной установки для получения лазерной генерации в алмазных образцах, имеющих различный примесно-дефектный состав.

3. Получение лазерной генерации в алмазных образцах, содержащих КУ-центры, установление её основных параметров, выявление основных особенностей алмазных образцов, в которых возможно осуществление генерации.

Методы, объект и предмет исследования. Основным методом исследования в работе является физический эксперимент. В экспериментах фиксировались:

- спектры люминесценции и/или лазерной генерации в алмазных образцах, содержащих NV-центры;

- энергия импульса лазера накачки и лазерной генерации в алмазе.

Объектами исследования были алмазные образцы, содержащие

замещающий азот и NV-центры в различных концентрациях.

Предметами исследования являлись аналитические и феноменологические модели, описывающие процессы спонтанного и вынужденного излучения в алмазах, содержащих NV-центры.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. В алмазных образцах, где резонатор образован естественными гранями кристалла, с содержанием NV-центров 6+/-0.9 р.р.т. (1.06х1018 см-3), замещающего азота 150+/-22.5 р.р.т. (2.64х1019 см-3) и активной длиной образца 4+/-0.05 мм зарождение лазерной генерации наблюдается при накачке на длине волны 532 нм с интенсивностью 2.7+/-0.27 МВт/см2.

2. Энергия импульса лазерной генерации, полученной при импульсной накачке алмазных образцов, содержащих 8-10 р.р.т. КУ-центров и 150-200 р.р.т. замещающего азота, излучением на длине волны 532 нм увеличивается на 10-250% (1.1 - 3.5 раза) при облучении таких образцов непрерывным излучением на длине волны 405 нм с интенсивностью 2.5900 мВт/см2.

Достоверность и обоснованность результатов работы. Достоверность научных положений обеспечивается использованием сертифицированной измерительной аппаратуры, а также общепринятых методик измерения:

- Концентрации центров КУ- и замещающего азота в алмазных образцах определялись по стандартной методике на основе спектров поглощения в ИК-области.

- Энергии импульсов накачки и лазерной генерации на КУ-центрах в алмазе проводились для каждой экспериментальной точки по 7 раз, затем наибольшее и наименьшее значения выбрасывались, а по пяти оставшимся проводилось усреднение и вычисление случайной ошибки с доверительной вероятностью 95%.

Новизна полученных результатов. Получена генерация лазерного излучения на NV-центрах в алмазе с энергией в импульсе до 48 мкДж.

- Показано, что лазерная генерация на NV-центрах в алмазе без подачи затравочного излучения от внешнего источника осуществляется не в максимуме фононного крыла люминесценции и не на бесфононной линии, а на длине волны 714-720 нм (для разных образцов), т.е. со смещением порядка 35-40 нм в длинноволновую сторону относительно максимума контура люминесценции.

- Впервые обнаружен эффект сильного влияния коротковолновой подсветки (405 нм), низкоинтенсивной (от единиц до сотен мВт/см2) по сравнению с основной накачкой на энергию генерации алмазного лазера на NV-центрах: при подаче такой подсветки на кристалл прирост энергии импульса генерации может составлять от 10 до 250%. При этом длина волны подсветки не попадает в контур поглощения КУ-центров в отрицательном зарядовом состоянии.

Научная ценность:

1. Первое защищаемое положение устанавливает минимальные требования к алмазному образцу и накачке, которые необходимо выполнить, чтобы получить лазерную генерацию на алмазе, содержащем центры КУ- в качестве основных рабочих лазерных центров.

2. Второе защищаемое положение описывает механизм влияния на энергию импульса генерации лазера на NV-центрах в алмазе с помощью излучения, не попадающего в контур поглощения КУ-центров.

Практическая значимость:

Первое защищаемое положение даёт производителям алмазных образцов информацию, необходимую для синтеза алмазов, пригодных для использования в оптоэлектронных устройствах в качестве активных элементов лазеров на NV-центрах в алмазе.

Второе защищаемое положение даёт основу для технического решения, позволяющего существенно увеличить энергию импульса генерации алмазного лазера.

Внедрение результатов и предложения по их использованию. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, могут быть использованы при создании широкого спектра оптоэлектронных устройств на основе алмаза: гироскопов, магнитометров, устройств связи или их компонентов.

Апробация результатов работы. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, докладывались и обсуждались на следующих международных и российских конференциях:

- XVIII Международная молодежная конференция по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2021, Иркутск, Россия;

- XV Международная конференция по импульсным лазерам и применениям лазеров - AMPL-2021, Томск, Россия;

- Всероссийская научная конференция с международным участием «ЕНИСЕЙСКАЯ ФОТОНИКА - 2022», Красноярск, Россия;

- 8th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects EFRE-2022, Томск, Россия;

- XXVII Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний Новгород, Россия;

- XIX Международная молодежная конференция по люминесценции и лазерной физике ЛЛФ-2023, Иркутск, Россия;

- XVI Международная конференция по импульсным лазерам и применениям лазеров - AMPL-2023, Томск, Россия;

- Всероссийская Диановская конференция по волоконной оптике ВКВО-

2023.

Личный вклад автора. Основные результаты, представленные в диссертационной работе, получены лично автором, либо совместно с соавторами публикаций при его непосредственном участии.

Постановка задач и общее руководство осуществлялось научным руководителем кандидатом физ.-мат. наук Липатовым Е.И. (ИСЭ СО РАН, Лаборатория оптических излучений, старший научный сотрудник).

Подготовкой экспериментальных стендов и проведением экспериментов занимался лично автор совместно с научным руководителем, а также Тельминовым Е.Н., Саввиным А.Д. и Шулеповым М.А.

Обработка и анализ исходных экспериментальных данных осуществлялась автором диссертации совместно с научным руководителем, а также соавторами публикаций.

Теоретические оценки коэффициента усиления алмаза, содержащего NV-центры, выполнены совместно с И.В. Измайловым.

Обсуждение и интерпретация результатов экспериментов проводились совместно с соавторами публикаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 5 статей в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук (из них 3 статьи в зарубежных научных журналах, входящих в Scopus, 2 статьи в российских научных журналах, переводные версии которых входят в Scopus); получен 1 патент Российской Федерации.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка использованной литературы. Полный объём - 86 страниц, включая 41 рисунок, 6 таблиц, список литературы содержит 70 наименований.

1 Получение лазерной генерации на кристаллах алмаза 1.1 Алмаз как материал для активного элемента лазера

Долгое время алмаз использовался человечеством исключительно в ювелирном деле. В 20 веке была освоена технология использования мелких алмазных частиц на режущих кромках инструментов. Однако помимо высокой механической твёрдости алмаз обладает свойствами, делающими его перспективным материалом для изготовления электронных и фотонных устройств.

Алмаз обладает высокой теплопроводностью (до 2300 Вт/м*К), благодаря этому он уже широко используется в изготовлении подложек для мощных полупроводниковых приборов. Чистый (номинально беспримесный) алмаз является полупроводником с шириной запрещённой зоны 5,49 эВ. Он имеет ряд преимуществ перед другими полупроводниками (Б1, Ое, ОаАв) как материал для высоковольтных оптоэлектронных переключателей: превосходит их по пробивному напряжению, а также обеспечивает более низкие токи утечки. Кроме того, подвижность носителей заряда обоих знаков в алмазе существенно выше, чем у большинства известных на сегодняшний день полупроводниковых материалов, благодаря чему можно создавать приборы, работающие на больших частотах. Имеются многочисленные работы по таким устройствам [10, 11, 24-26]. Они позволяют коммутировать напряжения до десятков кВ с фронтом нарастания до сотен пс, кроме того обладают минимальной неоднозначностью срабатывания (джитером).

Также алмаз обладает низким коэффициентом температурного расширения (1.1*10-6/К). В совокупности с высокой теплопроводностью это делает его очень перспективным материалом для изготовления активных элементов мощных твердотельных лазеров. Дело в том, что распространённой проблемой таких лазеров является эффект тепловой линзы (рисунок 1.1): значительная часть энергии накачки преобразуется в тепло, активный элемент нагревается, причём неравномерно, из-за того, что от центральной части стержня тепло отводится хуже,

чем с периферии; центральная часть активного элемента расширяется сильнее, чем периферийная, поверхность стержня приобретает выпуклость, которая работает как линза, в результате чего ухудшается качество выходного пучка, возможен даже срыв генерации.

Рисунок 1.1 - Искривление торцов активного элемента лазера из-за эффекта

тепловой линзы

В таблице 1.1 приведены значения теплопроводности и коэффициента температурного расширения для материалов, наиболее часто используемых для изготовления активных элементов современных твердотельных и полупроводниковых лазеров. Из сравнения становится ясно, что при одинаковых условиях накачки эффект тепловой линзы для алмазного активного элемента будет на порядки слабее, чем для элемента из сапфира, YAG и т.п. На практике это означает существенное упрощение, удешевление и облегчение конструкции устройств, отвечающих за охлаждение и термостабилизацию активного элемента, либо возможность работать вообще без использования подобных устройств.

Алмаз обладает существенной лучевой стойкостью - порядка десятков МВт/см2. При превышении этого порога как правило происходит его графитизация, т.е. перестройка кристаллической решётки из алмазной в графитную. Это означает, что можно осуществлять высокоинтенсивную накачку активного элемента лазера, изготовленного из алмаза, без риска его повреждения.

I \

\

I

Таблица 1.1 - Характеристики алмаза в сравнении с другими материалами активных сред твердотельных и полупроводниковых лазеров

Температурный коэффициент линейного расширения, 10-6/К

Сапфир ОаЛБ Алмаз

5 - 5.6 5,93

Теплопроводность Вт/(м-К)

Сапфир ОаЛБ Алмаз

23.1 - 25.2 150 900—2300

Энергия образования одиночной вакансии, эВ

Кремний ОаЛБ Алмаз

7

В настоящее время широко ведутся работы по внедрению оптической передачи сигналов между блоками бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) искусственных спутников Земли. Это позволит существенно облегчить конструкцию космических аппаратов за счёт замены медных проводников на оптоволоконные кабели, материал которых обладает существенно меньшей плотностью. Для решения данной задачи необходимо создание источников лазерного излучения с заданными характеристиками. Здесь алмаз как материал для активного элемента лазера обладает ещё одним преимуществом - высокой радиационной стойкостью, характеристикой которой может выступать энергия образования одиночной вакансии (таблица 1.1). Видно, что алмаз в разы превосходит использующиеся в настоящее время материалы. Это означает, что при работе в условиях околоземного пространства (которое с точки зрения воздействия на спутники и их аппаратуру является агрессивной средой) алмазный активный элемент может работать до отказа существенно дольше, чем активные элементы из других материалов. Это позволяет минимизировать защиту активного элемента (или отказаться от неё вовсе) и отказаться от дублирования лазерных блоков, которое широко применяется для увеличения надёжности и долговечности

системы. Всё это вместе позволяет существенно снизить массогабаритные параметры оборудования.

В настоящее время активно развивается направление квантовой сенсорики на основе алмаза - создание магнитометров, акселерометров, термометров и прочих подобных датчиков. Как правило, для этих целей используются алмазы (в т.ч. наноразмерные), содержащие примесно-дефектные центры КУ-, интенсивность люминесценции которых существенным образом зависит от измеряемого параметра внешней среды - магнитного поля, температуры и т.п. Во всех случаях необходимо иметь источник света (как правило, лазерный) для возбуждения люминесценции. Представляет интерес создание интегрального устройства, содержащего в себе одновременно как сенсорную часть, так и источник возбуждения. Поэтому для управления сенсорами на основе алмаза необходимо создание лазера также на основе алмаза.

1.2 Попытки получения лазерной генерации на различных центрах окраски,

содержащихся в алмазе

Алмаз является непрямозонным полупроводником, в связи с чем переходы «зона-зона» не могут быть использованы для создания светоизлучающих устройств вообще и осуществления лазерной генерации в частности. Поэтому для создания лазера необходимо использовать внутризонные переходы между уровнями, создаваемыми примесно-дефектными центрами, которые могут содержаться в алмазе.

В решётке алмаза может содержаться более 100 различных примесно-дефектных центров [12]. Речь идёт о точечных дефектах, т.е. имеющих размер, сравнимый с параметрами решётки. При этом количество элементов, способных встроиться в решётку алмаза, весьма невелико, и большая часть упомянутых выше центров представляют собой различные комбинации вакансий, междоузлий, замещающих атомов азота, бора, фосфора и никеля. Значительная часть таких дефектов является центрами окраски, т.е. они существенным образом

влияют на оптические свойства образца, в первую очередь на спектры пропускания и люминесценции.

Попытки экспериментальных и теоретических поисков в области получения лазерной генерации на центрах окраски в алмазе начались в 70-х гг. 20 века. В 1978 г. в работе [16] был проведён расчёт коэффициентов оптического усиления для центров окраски S2, N3, Н3, Н4, а также на центрах ИК люминесценции с бесфононной линией 794 нм. Показано, что центры Б2 имеют слишком низкий коэффициент усиления, чтобы их можно было рассматривать в качестве рабочих центров лазерной активной среды (значения коэффициента усиления имели порядок 10-4-10-5 см-1, таблица 1.2).

Таблица 1.2 - Характеристики переходов центров S2 [16]

Квантовый переход в центре S2 Длина волны максимума спектральной полосы люминесценции, нм Ширина спектральной полосы люминесценции, нм Излучательное время жизни на уровне, сек Коэффициент усиления, см-1

1 ^ 0 564 7,64 • 1013 2,5^10-4 1,Ы0-5

2 ^ 0 - - 0>10-4

3 ^ 0 525 8,43^1013 3^10-6 0,7^10-4

Для других центров окраски, рассмотренных в этой работе, были получены большие значения коэффициентов усиления (таблица 1.3), сделан вывод о перспективности работ в данном направлении.

Экспериментально генерация лазерного излучения в алмазе была впервые получена в работе [13], она была осуществлена на центрах Н3 (в другом обозначении - К2У). На рисунке 1.2 показаны структура центра Н3, его спектры поглощения и люминесценции и структура лазерных уровней из данной статьи.

Таблица 1.3 - Характеристики переходов центров N3, Р3 и центра 794 нм [16]

Тип центра окраски Длина волны максимума спектральной полосы люминесценции, нм Ширина спектральной полосы люминесценции, нм Излучательное время жизни на уровне, с Коэффициент усиления, см-1

N3 440 8,4 • 1013 4 • 10-8 0,04

Н3 525 5,4 • 1013 2,3 • 10-8 0,14

Центр 794 нм 876 7,32 • 1013 7 • 10-8 0,1

Рисунок 1.2 - Структура центра Н3, его спектры поглощения и люминесценции и

структура лазерных уровней [13]

Накачка осуществлялась лазером на кумарине на длине волны 480 нм с интенсивностью до десятков МВт/см2. Порог генерации достигался при интенсивности накачки 8 МВт/см2. Обратная связь обеспечивалась за счёт френелевского отражения от граней кристалла, никаких дополнительных зеркал не

использовалось. КПД генерации достигал 13.5% при интенсивности накачки 30 МВт/см2. Алмазный образец имел природное происхождение. Авторы не приводят спектра лазерной генерации, но заявляют, что её максимум приходился на длину волны 530 нм. Расходимость излучения составила порядка 70 мрад. Сделан вывод, что на основе подобных кристаллов возможно создание перестраиваемого лазера в диапазоне от 500 до 600 нм. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке

Рисунок 1.3 - Схема эксперимента по получению лазерной генерации на центрах

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Генерация лазерного излучения в алмазах, содержащих NV-центры»

Н3 из работы [13]

Попытка осуществить генерацию на центрах Н3 в синтетическом образце была предпринята в работе [14]. Авторам удалось осуществить генерацию, но эффективность была существенно ниже - 0.1%. Сделан вывод, что причина кроется в высоких потерях на безызлучательные переходы. Под действием излучения накачки наблюдалось появление долгоживущего наведённого поглощения.

Результаты, продемонстрированные в этих двух работах, до сих пор не удалось повторить, самими авторами работы также продолжены не были.

Также в [13] сделана попытка получить генерацию на центрах N3, люминесценция которых наблюдается в сине-голубой области спектра. Накачка осуществлялась лазерными импульсами длительностью 7 нс на длине волны 370 нм. Лазерная генерация на центрах N3 не наблюдалась. При изучении кинетики процессов обнаружено дополнительное поглощение из возбужденного состояния N3, связанное с переходами на более высокие энергетические уровни, вносящее оптические потери. Алмазные образцы имели природное происхождение. Распределение центров по объему в них обычно крайне неоднородно. Также в настоящий момент отсутствуют технологии создания N3 центров в алмазных образцах искусственного происхождения, из-за чего данное направление пока не имеет перспектив развития.

Также можно перечислить ряд работ [17, 27-29], в которых в той или иной форме приводятся доказательства перспективности использования алмаза в качестве активной лазерной среды. Как правило, такие выводы сделаны на основе теоретических расчётов. Однако эти работы не получили продолжения.

1.3 Основные свойства и особенности NV-центров

NV-центр - это примесно-дефектный центр, состоящий из находящихся в соседних узлах решётки атома замещающего азота и вакансии (рисунок 1.4). Помимо замещающего азота, он является одним из самых распространённых центров окраски, встречающихся в алмазах искусственного происхождения за счёт того, что технология их создания хорошо отработана: кристалл, содержащий атомы замещающего азота, подвергают облучению пучком электронов (как правило с энергией около 3МэВ), за счёт чего происходит создание вакансий; затем кристалл подвергают т.н. ВДВТ-отжигу (т.е. отжигу под высоким давлением) или НДВТ-отжигу (т.е. отжигу в вакууме или инертном газе), при этом вакансии становятся подвижными, в результате перемещений по кристаллу они с определённой

вероятностью занимают в решётке места рядом с атомами замещающего азота, образуя КУ-центры. Концентрацию КУ-центров в образце можно менять путём изменения дозы облучения его электронами, таким образом меняется количество вакансий.

Зелёным цветом показаны атомы углерода Рисунок 1.4 - Структура КУ-центра

В настоящее время известно о двух возможных зарядовых состояниях КУ-центра: нейтральном (обозначается КУ0) и отрицательном (КУ-). Считается, что в момент образования центр имеет состояние КУ0 [30]. Однако при определённых условиях на него может туннелировать электрон, принадлежащий одному из близлежащих атомов замещающего азота (азот является донорной примесью), и центр приобретёт отрицательный заряд. Вероятность этого процесса

тем выше, чем больше отношение концентрации замещающего азота к концентрации NV-центров. В [30] показано, что практически все NV-центры находятся в состоянии NV-, если концентрация замещающего азота превышает концентрацию NV-центров в 5 и более раз.

Существуют гипотезы о существовании состояния NV+, правда экспериментального подтверждения они пока не получили.

Схема уровней, создаваемых NV-центрами в запрещённой зоне алмаза, показана на рисунке 1.5 [31]. Переходы «уровень-уровень» происходят без участия фононов, в спектрах поглощения и люминесценции им соответствует т.н. бесфононная линия (БФЛ). Также возможны переходы с поглощением квантов, имеющих большую энергию, принято считать, что при этом электрон переходит на какой-либо вышележащий электронно-колебательный уровень, а затем на верхний уровень с релаксацией излишка энергии в виде одного или нескольких фононов. За счёт этого в спектре поглощения наблюдается широкая полоса, называемая фононным крылом. Переходы с верхнего уровня вниз также возможны как на БФЛ, так и с испусканием фотонов с меньшими энергиями, так же через электронно-колебательный уровень и генерацию фононов. В спектре люминесценции также наблюдается фононное крыло, практически симметричное крылу поглощения относительно БФЛ. Центр NV- относится к центрам с сильным электрон-фононным взаимодействием, из-за чего фононное крыло имеет большую интенсивность, чем БФЛ.

Центр NV- имеет БФЛ на длине волны 638 нм (рисунок 1.6), центр NV0 - на 575 нм [32]. Зачастую алмазный образец содержит NV-центры в обоих зарядовых состояниях, при этом как правило в спектре люминесценции полосы NV- имеют большую интенсивность, чем полосы NV0. Зачастую это связано с тем, что излучение центра NV0 попадает в крыло поглощения центра NV-.

Центр NV- имеет БФЛ на длине волны 638 нм (рисунок 1.6), центр NV0 - на 575 нм [32]. Зачастую алмазный образец содержит NV-центры в обоих зарядовых состояниях, при этом как правило в спектре люминесценции полосы NV- имеют

большую интенсивность, чем полосы КУ0. Зачастую это связано с тем, что излучение центра КУ0 попадает в крыло поглощения центра КУ-.

Рисунок 1.5 - Схемы уровней центров КУ- и КУ0 [31]

сл

-4—'

С D

Г)

ТО С О)

со -

450 500 550 600 650 700 750 800

Wavelength (nm)

Рисунок 1.6 - Спектры поглощения (чёрная линия) и люминесценции (красная

линия) центра NV- [32]

Стоит также отметить, что уровни центра NV- испытывают тонкое (спиновое) расщепление на подуровни ms = 0, -1, +1 (рисунок 1.7). При воздействии СВЧ-поля возбуждаются спиновые уровни +1. Электронные переходы под действием оптического излучения происходят с сохранением проекции электронного спина. Релаксация возбужденного состояния NV- с подуровней ms = +1 с вероятностью 0.1-0.2 происходит через синглетные уровни, через т.н. боковой канал, с люминесценцией на длине волны 1042 нм. При подаче на алмазный образец СВЧ-излучения, энергия квантов которого соответствует энергетическому зазору между подуровнями, данная вероятность поддаётся изменению под действием внешнего магнитного поля, температуры и некоторых других факторов. Этот эффект положен в основу метода оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР). Благодаря этому эффекту возможно создание на основе NV-центров различных сенсоров - магнитометров, акселерометров,

Absorption (excitation) spectrum Photoluminescence spectrum

термометров и т.д., а также осуществлению на них квантовых вычислений, чему посвящено большое количество публикаций [33-39].

В настоящий момент в подобных квантовых сенсорах используется спонтанное излучение NV-центров. Однако переход к работе на лазерном (т.е. вынужденном) излучении способен существенно увеличить чувствительность и точность таких приборов благодаря тому, что генерация лазерного излучения, особенно в припороговом режиме, является нелинейным процессом, очень чувствительным к потерям в активной среде. Похожий подход использован в работах [40, 41], где лазерная генерация в органических молекулах меняет интенсивность при изменении концентрации некоторых газов в атмосфере, окружающей активную среду.

Рисунок 1.7 - Схема уровней центра NV- с т.н. «боковым каналом»

В работе [42] показано, что при использовании вынужденного излучения контраст спектров ОДМР существенно возрастает. Таким образом, создание лазера на NV-центрах способно дать существенный толчок развитию квантовых сенсоров на алмазах.

1.4 Регистрация вынужденного излучения в алмазах, содержащих NV-центры

Среди всего множества центров окраски, содержащихся в алмазах, NV-центры являются одними из немногих, для которых хорошо освоены технологии их создания. Также в ряде работ, перечисленных в п. 1.2, сообщалось о перспективности использования NV-центров для получения лазерной генерации. Поэтому исследователями был предпринят ряд попыток осуществить лазерную генерацию или, как минимум, засечь появление вынужденного излучения в алмазах, содержащих NV-центры.

В [21] алмазный образец накачивался излучением на длине волны 532 нм, также через него пропускалось зондирующее излучение с длиной волны 721 нм. Алмаз помещался в микрорезонатор, образованный плоским зеркалом и торцом оптического волокна. Наблюдалось усиление зондирующего излучения при подаче накачки. Сделан вывод (весьма спорный), что вклад в усиление дают NV-центры в обоих зарядовых состояниях: NV0 и NV-.

Авторы [22] использовали похожий подход, но дополнительно исследовали влияние длины волны зондирующего излучения. Максимум усиления наблюдался около 700 нм. Также отмечено, что интерес представляют излучательные переходы с участием трёх фононов, соответствующие длине волны 709 нм. Использовались несколько алмазных образцов, в т.ч. наноалмазы, однако нет данных о концентрации NV-центров в них. На основе расчётов сделаны выводы, что для осуществления лазерной генерации на алмазах с NV-центрами необходимо иметь образцы с концентрацией NV-центров от 0.1 до 1 р.р.т., обеспечивая мощность накачки на уровне сотен мВт. Подробно рассмотрена тема ионизации центра NV- в состояние NV0 и обратного перехода. Утверждается, что ионизация происходит в

результате двухфотонного процесса и потому зависит от мощности лазера накачки квадратично.

В работе [23] использовался алмазный образец размерами 0.29х3х3 мм3 с концентрацией КУ-центров 25 р.р.т. и концентрацией замещающего азота 200-300 р.р.т. Схема установки показана на рисунок 1.8. Образец устанавливался поперёк оси накачки и резонатора, т.е. активная длина составляла 0.29 мм. Подробно исследованы спектры люминесценции образца при его накачке излучением с длиной волны 532 нм мощностью от 2 до 50 мВт. При малых мощностях накачки в спектре люминесценции наблюдались лишь полосы центров КУ-, тогда как при превышении некоторого порога появляются полосы центров КУ0. Предпринята попытка получить лазерную генерацию при помещении образца в резонатор и использовании мощной импульсной накачки, однако успех был не достигнут. Плотность энергии накачки доходила до 560 мДж/см2. Также в работе проведена оценка времени жизни центра КУ- в возбуждённом состоянии, величина составила 12 нс.

Рисунок 1.8 - Схема установки из работы [23]

1.5 Рамановские лазеры на алмазах

Стоит также упомянуть, что на основе алмаза были созданы т.н. рамановские лазеры (ВКР-лазеры) [15]. Их работа основана на явлении вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР). При этом можно создавать условия для генерации как стоксовой, так и антистоксовой компоненты. Большая величина сдвига спектра комбинационного рассеяния (КР) алмаза (V = 1332 см-1) позволяет варьировать длину волны ВКР-генерации в широких пределах, в том числе за счет использования стоксовых и антистоксовых компонент (СК и АСК) высоких порядков. Алмаз обладает высоким значением коэффициента усиления ВКР: g = 42 см/ГВт при накачке на длине волны 532 нм и 12 - 17 см/ГВт при X = 1064 нм [43].

Выходная средняя мощность ВКР-лазеров на других кристаллах ограничена уровнем примерно 5 Вт из-за проблем с отводом тепла и, как следствие, возникновением тепловой линзы, потерей качества пучка и даже механическим разрушением материала. Благодаря высокой теплопроводности алмаза в ВКР-лазерах на его основе эти проблемы в значительной степени снимаются, позволяя радикально повысить мощность излучения [43, 44].

Для реализации ВКР-лазера необходимо иметь кристалл с максимально низким содержанием дефектов и примесей, поэтому практически все достижения в области алмазных ВКР-лазеров реализованы на алмазах, синтезированных методом газохимического осаждения (ГХО).

На данный момент реализованы ВКР-лазеры на алмазе с весьма широкой номенклатурой длин волн и уровнями мощности до десятков ватт. Преобразование оптического излучения осуществляется с эффективностью в десятки процентов. В работе [44] продемонстрирован алмазный ВКР-лазер мощностью 24.5 Вт, генерирующий на длине волны 1193 нм с накачкой импульсным излучением криогенного Yb:YAG-лазера (длина волны накачки 1030 нм). Еще большие мощности были получены в квазинепрерывном режиме - при накачке микросекундными импульсами Nd:YAG-лазера достигнуты мощности ВКР-лазера

свыше 100 Вт на длине волны 1240 нм (1-я СК) [23] и 114 Вт в непрерывном режиме на длине волны 1490 нм (2-я СК) с эффективностью конверсии 44% [45]. Применительно к лазерам в жёлто-оранжевой области (570 -625 нм), где создание лазерных источников с высокими мощностью и эффективностью представляет собой непростую задачу, сообщалось о генерации ВКР-лазера на алмазе на длине волны 573 нм (1-я СК) мощностью 1.2 Вт и об эффективности преобразования 63.5% при накачке наносекундными импульсами (X = 532 нм) [46], а также о на порядок меньшей мощности генерации на 620 нм (2-я СК) [46]. Приближение длины волны генерации к области 600 нм интересно с точки зрения нескольких применений. Во-первых, для формирования искусственной лазерной опорной звезды (ЛОЗ) с целью построения астрономической адаптивной оптики телескопов [47]. Во-вторых, оранжевый лазерный источник может быть использован для эффективного (резонансного) возбуждения фотолюминесценции (ФЛ) центра окраски германий-вакансия ^еУ) в алмазе (с линией ФЛ на длине волны 602 нм), интересного для применения в оптических квантовых технологиях [48, 49]. Более тонкая подстройка длины волны возможна при использовании изотопически модифицированных алмазов, выращиваемых с заданным соотношением изотопов 12С и 13С (различие в частотах линии КР 1-го порядка между алмазами со 100%-ным содержанием изотопа 12С и 100%-ным содержанием 13С составляет 51 см-1) [50, 51]. Наличие лазера, излучающего в оранжевом диапазоне, также актуально в биомедицинских исследованиях, в частности в цитометрии, поскольку ряд важных люминесцирующих протеинов наиболее эффективно возбуждается в диапазоне длин волн 590-595 нм [43]. Также возможно преобразование излучения ВКР-лазеров в нелинейных кристаллах, благодаря чему можно дополнительно расширить диапазон получаемых длин волн. Так, например, в [43] излучение на длине волны 597.3 нм получено путём удвоения первой СК.

Основным недостатком таких лазеров является необходимость иметь мощный источник лазерного излучения для осуществления накачки. Из-за этого невозможным становится создание компактных устройств, способных стать частью бортовой аппаратуры летательных аппаратов, а также интегральных

устройств, выполненных целиком на основе алмаза. В связи с этим потенциал практического применения ВКР-лазеров существенно ограничен. Лазеры на центрах окраски дают возможность (по крайней мере, потенциальную) осуществлять накачку спонтанным излучением (от ламп-вспышек либо светодиодов), электронным пучком, а в перспективе - инжекционным способом. Эти способы накачки существенно проще в осуществлении, а реализованный на таких принципах прибор существенно дешевле. В связи с этим реализация лазера на центрах окраски в алмазе является актуальной задачей, несмотря на наличие мощных ВКР-лазеров.

1.6 Методы синтеза алмазов

Впервые лазерная генерация на алмазе была получена в образце природного происхождения [13]. Однако проблема заключается в том, что природные алмазы существенно различаются друг от друга по примесно-дефектному составу, кроме того нередко имеют внутри себя инородные включения либо пузырьки газа. Всё это не позволяет использовать их в качестве сырья для изготовления активных элементов лазеров.

Для решения задачи широкого внедрения лазеров на алмазе в различные области науки и техники необходим способ получения алмазных образцов с заданным примесно-дефектным составом с хорошей повторяемостью в промышленных объёмах. Существуют два способа синтеза искусственных алмазов: метод газохимического осаждения (ГХО, в англоязычной литературе -CVD) и метод температурного градиента.

В методе температурного градиента графитовый порошок (шихта) помещается в специальную капсулу, также содержащую затравку в виде наноразмерного кристалла алмаза. Капсула помещается в механический пресс, создающий давление в несколько ГПа, одновременно производится нагрев капсулы до температур порядка 1500 °С (рисунок 1.9) [52, 53].

Рисунок 1.9 - Схема установки для синтеза алмазов методом температурного градиента в ВДВТ-условиях типа «Разрезная сфера» [52, 53]

В методе ГХО алмаз постепенно осаждается на подложку из плазмы, горящей в смеси метана с водородом (рисунок 1.10) [54, 55]. Преимуществом данного способа является возможность получения высокочистых образцов с содержанием примесей менее 1 р.р.Ь., либо наоборот, можно получать алмазы с точно заданной концентрацией примесей (азота, фосфора, бора). Проблема заключается в том, что условия синтеза в данном случае неравновесные, и созданный таким способом образец подвержен существенным внутренним напряжениям. Эти напряжения можно снять в процессе ВДВТ-отжига, т.е. отжига под высоким давлением.

Рисунок 1.10 - Фотография экспериментального реактора для синтеза алмазов методом ГХО (а) и плазмы, горящей над подложкой (б)

1.7 Выводы по главе 1

По итогу обзора литературы можно сделать следующие выводы:

1. На момент начала данной работы лазерная генерация на центрах окраски в алмазе была получена только дважды на центрах Н3, причём эти результаты не повторены до сих пор. Сами указанные работы также развития либо продолжения не получили. По-видимому, это связано с невозможностью воспроизводить алмазные образцы, содержащие центры Н3, контролируя при этом концентрацию этих центров хоть с какой-то точностью.

2. Повторяемости результатов можно достигнуть только при использовании искусственных алмазов, т.к. в этом случае имеется возможность контролировать примесно-дефектный состав образцов, хотя и не в полной мере. Проблема состоит в том, что в настоящее время созданы и освоены технологии получения лишь нескольких центров окраски. Технологии создания центров Н3, на которых была получена первая лазерная генерация в алмазе, до сих пор развиты слабо. С другой стороны, технологии создания центров КУ, которым посвящена настоящая диссертация, освоены на хорошем уровне. Имеется возможность получать образцы с заданной концентрацией КУ-центров, находящихся в заданном зарядовом

состоянии (КУ0 или КУ-), путём задания концентрации замещающего азота и вакансий.

3. Лазерная генерация на КУ-центрах на момент начала работы другими исследователями получена не была, удавалось лишь засечь усиление излучения от внешнего источника в пределах фононного крыла. Попытки осуществить лазерную генерацию оказывались неудачными в первую очередь из-за того, что алмазные образцы располагались в оптических схемах поперёк оптической оси, из-за чего активная длина кристалла получалась крайне малой (менее 0.5 мм). Это связано с тем, что при такой постановке кристалла излучение из него выводится через большие грани, которые поддаются обработке сравнительно легко. В случае же постановки кристалла вдоль оптической оси необходимо подвергать шлифовке и полировке торцы образца, которые как правило имеют толщину меньше 1 мм. Такая обработка существенно сложнее в реализации. Также, как будет показано в главах 3 и 4, неверно были оценены необходимые для осуществления генерации концентрации КУ-центров и значения интенсивности накачки.

2 Экспериментальная аппаратура и методики измерений

Для получения лазерной генерации на NV-центрах в алмазе и исследований её основных особенностей были разработаны и собраны различные установки, конструкции которых описаны ниже. Приводятся оценки погрешностей измерения основных важных для исследования величин.

2.1 Алмазные образцы и их характеристики

Все образцы, использованные в работе, были предоставлены ООО «Велман», г. Новосибирск. Они были синтезированы методом температурного градиента в ВДВТ-условиях, затем подвергнуты облучению электронным пучком (энергия электронов 3 МэВ) и отжигу. Внешний вид и размеры образцов приведены в таблице 2.1. Номера образцов не имеют какой-либо связи с их примесно-дефектным составом.

Отбор образцов осуществлялся по содержанию в них NV-центров и замещающего азота NS.

Некоторые образцы (например, С29, С31) имеют ярко выраженные сектора роста, различимые визуально. Это характерная особенность образцов, синтезированных методом температурного градиента в ВДВТ-условиях. Анализ показал, что их примесно-дефектный состав может существенно различаться (подробнее об этом в главе 3). В этом случае работа велась отдельно с каждой зоной образца.

2.2 Установка для исследования образцов методом pump-probe

Метод, называемый pump-probe, широко используется для исследования усиливающих свойств различных активных сред. Для этого на активную среду подаётся накачка (pump) одновременно со сканирующим (затравочным) излучением (probe), имеющим длину волны, попадающую в контур усиления.

Таблица 2.1-Фотографии и размеры алмазных образцов, использованных в работе

Номер образца Фотография Размеры, мм

С29 1 ~ ' 1 4 х 3 х 0.25

С31 4.4 х 4.4 х 0.25

С43 3.8 х 3.3 х 0.25

С93 _ 2.2 х 2 х 0.5

С94 г ^ 1 3.5 х 2 х 0.5

С104 ■ 3.8 х 3.1 х 1.1

Производится детектирование сигнала сканирующего излучения в присутствии накачки и в её отсутствие. Если среда способна усиливать излучение, наблюдается прирост детектируемого сигнала при включении накачки.

Для исследования усиливающих свойств алмазов с NV-центрами накачка должна производиться в пределах контура поглощения NV-центров, т.е. в диапазоне 450 - 638 нм, а сканирование - в пределах контура люминесценции, т.е. в диапазоне 638 - 850 нм.

Схема установки показана на рисунок 2.1 [56]. Накачка производилась на длине волны 532 нм импульсным пикосекундным Nd:YAG-лазером, разработанным во ВНИИА им. Духова, сканирование - излучением с длиной волны 685 нм, источником служил лазерный диод Thorlabs HL6750MG. Излучение через узкополосный фильтр с пропусканием на длине волны 685 нм и коллиматор попадало в оптоволокно и через него подавалось на оптоэлектронный преобразователь LeCroy OE555, а его сигнал фиксировался осциллографом LeCroy WaveMaster 808Zi-A с рабочей полосой 4.5 ГГц. Была реализована как продольная, так и поперечная схема. В поперечной схеме использовалась цилиндрическая линза для того, чтобы излучение накачки попадало на зону образца S2 (подробнее об этом в гл. 3) по всей её длине.

2.3 Установка для получения лазерной генерации

После того, как было выявлено усиление сканирующего излучения в одной из зон образца С29 (подробнее - в главе 3), установка была модифицирована для получения лазерной генерации (рисунок 2.2). Для этого образец был помещён в резонатор, в котором коэффициенты отражения обоих зеркал составляли 95%. Дополнительно для повышения устойчивости резонатора в нём использовалась цилиндрическая линза с фокусным расстоянием 15 мм. Использовалась поперечная схема накачки. Со стороны обоих зеркал фиксировалось пространственное распределение мощности лазерного излучения с помощью камеры Ophir SP620U CCD. С её же помощью производилась оценка энергии импульса.

1 - алмазный образец, 2 - цилиндрическая линза, 3 - пикосекундный Ш:УАО-лазер, 4 - аттеньюатор, 5 - кварцевая линза (F = 150 мм), 6 - лазерный диод, 7 - кварцевая линза (F = 11 мм), 8 - узкополосный фильтр, 9 - коллиматор, 10 - оптоволокно, 11 - оптоэлектронный преобразователь, 12 - осциллограф Рисунок 2.1 - Схема установки для исследования алмазного образца методом

pump-probe

1 - алмазный образец, 2 - зеркало (К=0.95), 3 - цилиндрическая линза (Б = 15 мм),

4 - цилиндрическая линза, 5 - излучение накачки Рисунок 2.2 - Схема установки для поучения лазерной генерации на образце С29

Для этого показания камеры были откалиброваны по излучению маломощного лазера, работающего в красном диапазоне длин волн, энергия импульсов которого фиксировалась измерителем энергии OPHIR. Затем камерой фиксировалось лазерное излучение, генерируемое в кристалле, и по уровню сигнала производилась оценка энергии зафиксированного импульса.

2.4 Установка для получения лазерной генерации в образцах с различным

примесно-дефектным составом

Для исследования усиливающих и генерационных свойств алмазных образцов с различным примесно-дефектным составом была создана установка, схема которой показана на рисунке 2.3 [57]. В качестве источника накачки был использован лазер LF117 от Solar TII с длиной волны 532 нм. С помощью двух скрещенных цилиндрических линз излучение накачки собиралось на поверхности образца в пятно размером 5х1 мм2. Путём установки фильтров НС (НС-1, НС-2, НС-6 в различных сочетаниях) на пути распространения излучения накачки регулировалась его интенсивность. В большинстве экспериментов значения интенсивности накачки лежали в диапазоне 1-20 МВт/см2. Излучение NV-центров (спонтанное или лазерное) с помощью оптического волокна подавалось на спектрометр HR-2000+ (Ocean Optics). При работе с образцом С104 энергия импульса лазерной генерации измерялась с помощью калориметра Ophir с сенсорной головкой PE-10BF. Также в этом случае имелась возможность наблюдать излучение визуально. Для улучшения контраста использовался визуализатор ИК-излучения.

В некоторых случаях в этой схеме использовалась дополнительная подсветка алмазного образца маломощным непрерывным полупроводниковым лазером с длиной волны 405 нм. Влиянию такой подсветки на характеристики лазерной генерации алмазных образцов посвящена гл. 4. Подсветка подавалась на кристалл с той же стороны, что и накачка, под некоторым углом к оси пучка накачки. Мощность лазера могла варьироваться в диапазоне от 0.05 до 500 мВт.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Генин Дмитрий Евгеньевич, 2024 год

Список использованной литературы

1. Prospects of diamond devices / E. Kohn [et. al.] // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2001. - Vol. 34. - P. 77-85.

2. Solar-blind UV flame detector based on natural diamond / E.V. Gorokhov [et. al.] // Instruments and Experimental Techniques. - 2008. - Vol. 51, № 2. -P. 280-283.

3. Alfieri D. Single-crystal diamond MIS diode for deep UV detection / D. Alfieri // Radiation Effects and Defects in Solids. - 2010. - Vol. 165, Nos. 6-10. - P. 737-745.

4. Secondary electron emission in extreme-UV detectors: application to diamond based devices / I. Ciancaglioni [et. al.] // Journal of Applied Physics. - 2011. -Vol. 110, № 1. - P. 014501.

5. Diamond detectors for UV and X-ray source imaging / M. Girolami [et. al.] // IEEE Electron Device Letters. - 2012. - Vol. 33, № 2. - P. 224-226.

6. Radiation hard diamond laser beam profiler with subnanosecond temporal resolution / J. Schein [et. al.] // Review of Scientific Instruments. - 2002. - Vol. 73, № 1. - P. 18-22.

7. Diamond photodetector response to deep UV excimer laser excitation / S.P. Lansley [et. al.] // Diamond and Related Materials. - 2003. - Vol. 12. - P. 677-681.

8. UV laser beam profilers based on CVD diamond / M. Girolami [et. al] // Lecture Notes in Electrical Engineering. - 2010. - Vol. 54. - P. 101-104.

9. Pat. #0 384 084. Diamond scintillation detector / T.L. Nam [et. al.]; applicant EU; published in 1989.

10. Липатов Е.И. Особенности импульсной фотопроводимости в 2-А алмазе при облучении лазерным УФ излучением с длиной волны 308 нм / Е.И. Липатов, А.Н. Панченко, В.Ф. Тарасенко // Оптика атмосферы и океана. - 2004. - Т. 17, № 23. - С. 215-220.

11. Оптические спектры и электронно-дырочная жидкость в алмазе / Е.И. Липатов [и др.] // Оптика и спектроскопия. - 2015. - Т. 119, № 6. - С. 902-908.

12. Zaitsev A.M. Optical Properties of Diamond: A Data Handbook / A.M. Zaitsev.

- Munchen: Springer Verlag, 2001. - 486 p.

13. Rand S.C. Visible color-center laser in diamond / S.C. Rand, L.G. DeShazer // Optics Letters. - 1985. - Vol. 10, № 10. - P. 481-483.

14. Nalcashima T. Optical Properties and Laser Action of H3 Center in Synthetic Diamond / T. Nalcashima, S. Yazu // SPIE. - 1990. - Vol. 1325, Diamond Optics 111. -P. 10-16.

15. Mildren R.P. Highly efficient diamond Raman laser / R.P. Mildren, A. Sabella // Optics letters. - 2009. - Vol. 34, № 18. - P. 2811-2813.

16. Исследование длительности электронно-колебательной люминесценции некоторых минералов и изучение возможности их использования в качестве активных сред лазеров. Отчет о НИР / исполн. И.А. Парфианович, Е.Ф. Мартынович: Иркутск, 1978. - Гл. 3. - С. 62-81. - № гос. регистрации Б 647924.

17. Rand S.C. Synthetic Diamond for Color Center Lasers. Tunable Solid-State Lasers II / S.C. Rand. - Springer: Berlin, Heidelberg, 1986. - P. 276-280.

18. Hora H. Theoretical aspects of diamond films and laser action / H. Hora, M.A. Prelas // Diamond and related materials. - 1995. - Vol. 4, is. 12. - P. 1376-1382.

19. Laser-related spectroscopic parameters of NV colour centres in diamond / V.G. Savitski [et. al.] // Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC), 2017, June. - IEEE. -P. CA_P_20

20. Vins V.G. Color centers in diamond crystals: their potential use in tunable and femtosecond lasers / V.G. Vins, E.V. Pestryakov // Diamond and Related Materials. -2006. - Vol. 15, Nos. 4-8. - P. 569-571.

21. Amplification by stimulated emission of nitrogen-vacancy centres in a diamond-loaded fibre cavity / S.R. Nair [et. al.] // Nanophotonics. - 2020. - Vol. 9, №2 15.

- P. 4505-4518.

22. Stimulated emission from nitrogen-vacancy centres in diamond / J. Jeske [et. al.] // Nature Communications. - 2017. - Vol. 8. - P. 14000.

23. Laser spectroscopic characterization of negatively charged nitrogen-vacancy (NV-) centers in diamond / S.D. Subedi [et. al.] // Optical Materials Express. - 2019. -Vol. 9. - P. 2076-2087.

24. Space-charge-induced optoelectronics switching in IIa diamond / J. Glinski [et. al.] // Applied Physics Letters. - 1984. - Vol. 45, № 3. - P. 260-262.

25. Optical switching mechanism in type IIa diamond / Y.S. Huo [et. al.] // Journal of Applied Physics. - 1986. - Vol. 59, № 6. - P. 2060-2067.

26. A diamond opto-electronic switch / P.-T. Ho [et. al.] // Optics Communications. - 1983. - Vol. 46, № 3-4. - P. 202-204.

27. Миронов В.П. Пассивные лазерные затворы на основе алмаза /

B.П. Миронов, Е.Ф. Мартынович, В.А. Григоров // Перестраиваемые лазеры: Труды V Международной конференции. - Новосибирск, ИТФ. - 1990. - Ч. 1. -

C. 191-195.

28. Mironov V.P. Laser materials based on diamond with GR1 centers / V.P. Mironov, E.F. Martynovich, V.A. Grigorov // Diamond and Related Materials. -1994. - Vol. 3, Nos. 4-6. - P. 936-938.

29. Wide Band Gap Electronic Materials / M.A. Prelas [et. al.]. - Springer: Dordrecht, 1995. - 531 p.

30. Equilibrium charge state of NV centers in diamond / C. Shinei [et. al.] // Applied Physics Letters. - 2021. - Vol. 119, Is. 25. - P. 254001.

31. Laser spectroscopy of highly doped NV-centers in diamond / S.D. Subedi [et. al.] // Solid State Lasers XXVII: Technology and Devices. - 2018. - Vol. 10511. -P. 105112D.

32. Hanzawa H. Measurement of decay time for the NV centre in Ib diamond with a picosecond laser pulse / H. Hanzawa, Y. Nisida, T. Kato // Diamond and Related Materials. - 1997. - Vol. 6, Is.11. - P. 1595-1598.

33. Imaging thermal conductivity with nanoscale resolution using a scanning spin probe / A. Laraoui [et. al.] // Nature Communications. - 2008. - Vol. 6. - P. 8954.

34. Nanoscale magnetic sensing with an individual electronic spin in diamond / J.R. Maze [et. al.] // Nature. - 2008. - Vol. 455 (7213). - P. 644-647.

35. Electric-field sensing using single diamond spins / F. Dolde [et. al.] // Nature Physics. - 2017. - Vol. 7, is. 6. - P. 459-463.

36. Measurement of the full stress tensor in a crystal using photoluminescence from point defects: The example of nitrogen vacancy centers in diamond / F. Grazioso [et. al.] // Applied Physics Letters. - 2013. - Vol. 103, is. 10. - P. 101905.

37. Diamond Radio Receiver: Nitrogen-Vacancy Centers as Fluorescent Transducers of Microwave Signals / L. Shao [et. al.] // Physical Review Applied. - 2016. - Vol. 6, is. 6. - P. 064008.

38. Mass production and dynamic imaging of fluorescent nanodiamonds / Y.-R. Chang [et. al.] // Nature Nanotechnology. - 2008. - Vol. 3, is. 5. - P. 284-288.

39. Chang Huan-Cheng. Fluorescent Nanodiamonds (1 ed.) / Chang Huan-Cheng, Hsiao Wesley Wei-Wen, Su Meng-Chih. - Wiley, 2018. - 304 p.

40. Spontaneous and stimulated emission of thin-film polymer structures in the presence of nitrotoluene vapour / Sh.T. Berdybaeva [et. al.] // Quantum Electronics. -2021. - Vol. 51, № 3. - P. 206-210.

41. Фотовозбуждаемый сенсор на определение аммиака и хлористого водорода / Ш.Т. Бердыбаева [и др.] // Известия вузов. Физика. - 2023. - Т. 66, № 5 (786). - С. 29-33.

42. Magnetic-field-dependent stimulated emission from nitrogen-vacancy centers in diamond / F.A. Hahl [et. al.] // Science Advances. - 2022. - Vol. 8. - P. eabn7192.

43. ВКР-лазер на алмазе с генерацией на длинах волн 1194, 1419 и 597 нм / В.П. Пашинин [и др.] // Квантовая электроника. - 2018. - Т. 48, №3. - С. 201-205.

44. High average power diamond Raman laser / J.P.M. Feve [et. al.] // Optics Express. - 2011. - Vol. 19. - P. 913.

45. Diamond Raman laser: a promising high-beam-quality and low-thermal-effect laser / Y. Li [et. al.] // High Power Laser Science and Engineering. - 2021. - Vol. 9. -P. e35.

46. Mildren R.P. CVD-diamond external cavity Raman laser at 573 nm / R.P. Mildren, J.E. Butler, J.R. Rabeau // Optics Express. - 2008. - Vol. 16. - P. 18950.

47. Больбасова Л.А. Исследование эффективности применения лазерных опорных звезд / Л.А. Больбасова, В.П. Лукин // Оптика атмосферы и океана. - 2009.

- Т. 22. - С. 807.

48. Наблюдение центра окраски Ge-вакансия в микрокристаллических алмазных плёнках / В.Г. Ральченко [и др.] // Краткие сообщения по физике ФИАН.

- 2015. - № 6. - С. 15.

49. Germanium-Vacancy Single Color Centers in Diamond / T. Iwasaki [et. al.] // Scientific Reports. - 2015. - Vol. 5. - P. 12882.

50. Моноизотопные 12C- и 13С-алмазы — новейшие ВКР активные кристаллы, как новый этап в развитии алмазной фотоники (diamond photonics) / А.А. Каминский [и др.] // Письма в ЖЭТФ. - 2016. - С. 104.

51. Brillouin and Raman scattering in natural and isotopically controlled diamond / R. Vogelgesang [et. al.] // Physical Review B. - 1996. - Vol. 54. - P. 3989.

52. Ito E. Multi-anvil cells and high-pressure experimental methods, in Treatise of Geophysics // Treatise of Geophysics. - Amsterdam: Elsevier, 2007. - Vol. 2. -P. 197-230.

53. Loshak M.G. Rise in the efficiency of the use of cemented carbides as a matrix of diamond-containing studs of rock destruction tool / M.G. Loshak, L.I. Alexandrova // International Journal of Refractory Metals and Hard Materials. - 2001. - Vol. 19. - P. 5-9.

54. Werner M. Growth and application of undoped and doped diamond films / M. Werner, R. Locher // Reports on Progress in Physics. - 1998. - Vol. 61, № 12. -P. 1665-1710.

55. Koizumi S. Physics and Applications of CVD Diamond / S. Koizumi, C.E. Nebel, M. Nesladek. - Wiley VCH, 2008. - P. 200-240.

56. NV- diamond laser / A. Savvin [et. al.] // Nature Communications. - 2021. -Vol. 12. - P. 7118.

57. Peculiarities of nitrogen-vacancy centers' superluminescence in diamond under optical pumping at 532 nm / V.P. Mironov [et. al.] // Applied Physics B. - 2023. -Vol. 129. - P. 18.

58. On the existence of positively charged single-substitutional nitrogen in diamond / S.C. Lawson [et. al.] // Journal Physics: Condensed Matter. - 1998. - Vol. 10.

- P. 6171-6180.

59. Сверхлюминесценция в фононном крыле спектра фотолюминесценции NV-центров в алмазе при оптической накачке на X = 532 нм / Е.И. Липатов [и др.] // Квантовая электроника. - 2022. - Т. 52, вып. 5. - С. 465-468.

60. Сверхлюминесценция на NV-центрах в синтетическом алмазе / Е.И. Липатов [и др.] // Известия ВУЗов. Физика. - 2022. - Т. 65, №11. - C. 82-85.

61. Microjoule-Range Diamond NV-Laser with Optical Pumping / D. Genin [et. al.] // Physica Status Solidi: Rapid Research Letters. - 2023. - Published online: 31 May 2023 by Wiley. - Article number 2300062. - 9 p. -URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/pssr.202300062 (access date: 04.10.2023).

62. Патент 2779410 Российская Федерация, МПК H01S 3/06 (2006.01). Фотовозбуждаемый алмазный NV лазер / Бураченко А.Г. (RU), Дормидонов А.Е. (RU), Винс В.Г. (RU), Генин Д.Е. (RU), Елисеев А.П. (RU), Липатов Е.И. (RU), Потанин С.А. (RU), Рипенко В.С. (RU), Саввин А.Д. (RU), Тельминов Е.Н. (RU), Шулепов М.А. (RU); патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» (RU). - №2 2021126370, заявл. 08.09.2021, опубл. 06.09.2022, Бюл. № 25. - 11 с.

63. Звелто О. Принципы лазеров / О. Звелто. - М.: Мир, 1990. - 560 с.

64. Ярив А. Квантовая электроника: пер с англ / А. Ярив; под ред. Я.И. Ханина

- М.: Сов. радио, 1980. - Пер. изд. Yariv A. Quantum electronics, USA, 1975. - 488 с.

65. Ярив А. Введение в теорию и приложения квантовой механики / А. Ярив.

- М.: Мир, 1984. - 360 с.

66. Пойзнер Б.Н. Физические основы лазерной техники: Учебное пособие / Б.Н. Пойзнер. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М: ИНФРА-М, 2017. - 160 с.

67. Мольков С.И. Дифракционные потери и распределение мощности газоразрядных лазеров по поперечным модам // Ученые записки петрозаводского государственного университета. - 2014. - Т. 2, № 8. - С. 97-103.

68. Липатов Е.И. Оптоэлектронное переключение в алмазе и оптический пробой по поверхности / Е.И. Липатов, В.Ф Тарасенко // Квантовая электроника. -2008. - Т. 38, № 3. - С. 276-279.

69. Studies of high field conduction in diamond for electron beam controlled switching / R.P. Joshi [et. al.] // Journal of Applied Physics. - 1992. - Vol. 72, № 10. -P. 4781-4787.

70. Fast opening diamond switch for high voltage, high average power inductive energy store modulators / M. Krishnan [et. al.] // Proceedings of the 12th IEEE Pulsed Power conference. - Monterey, CA, USA, 1999. - P. 1222-1225.