Группе ученых из Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) удалось в несколько раз увеличить коэффициент полезного действия лазеров на NV-центрах алмазов. Изучение физики процесса лазерной генерации на дефектах кристаллической решетки искусственного алмаза позволит в перспективе создавать на их основе квантовые сенсоры для навигации и работы в экстремальных условиях космоса.
«NV-центрами называются дефекты структуры в синтетическом алмазе, состоящие из одного атома замещающего азота (N) и соседнего вакантного — не занятого атомом углерода узла решетки (V). Они имеют много интересных свойств, например на их основе можно делать датчики магнитных полей и температуры, мы же на них получаем лазерную генерацию», — говорит руководитель проекта научный сотрудник лаборатории оптических излучений ИСЭ СО РАН кандидат физико-математических наук Дмитрий Евгеньевич Генин.
Как объясняет ученый, алмазные лазеры потенциально могут существенно превзойти другие твердотельные лазеры (на иттрий-алюминиевом гранате, сапфире, форстерите и пр.) по многим характеристикам. Например, если теплопроводность алмаза составляет до 2 300 ватт на метр на кельвин, то у других материалов, используемых в твердотельных лазерах, — не более 40. Коэффициент температурного расширения у алмаза примерно в пять-семь раз ниже, что позволяет обеспечить стабильность геометрии активного элемента даже при существенном изменении температуры, а высокая радиационная стойкость делает алмаз пригодным для использования в самых агрессивных условиях.
Несмотря на все эти достоинства, десятки лет исследователям во всем мире не удавалось добиться лазерного излучения от NV-центров в алмазах. Настоящий прорыв произошел в 2021 году, когда с участием сотрудников ИСЭ СО РАН удалось зарегистрировать импульсы излучения алмазного кристалла, обладавшие относительно узким спектром и направленностью, наносекундной длительности в красной области спектра при накачке лазерным излучением в зеленой области. Позже в ИСЭ СО РАН добились энергии лазерного импульса до 48 микроджоулей при коэффициенте полезного действия до 1 %: подобное значение КПД свойственно лазерам многих типов. К настоящему времени ученые вышли на энергию лазерного импульса до 200 микроджоулей при КПД до 6 %, что позволяет уже говорить о возможностях практического применения.
«На основе алмазных лазеров могут создаваться различные передовые приборы для навигации: магнитометры, гироскопы, термометры и так далее. Также интересна идея с передачей сигналов между частями электронной начинки космических аппаратов по оптоволокну вместо металлических проводников. Для этого нужны радиационно стойкие лазеры — алмазные подходят идеально. Однако для их создания и обеспечения стабильной работы необходимо изучить фундаментальные основы протекания лазерной генерации на NV-центрах. По итогам выполнения проекта предполагается получить зависимости энергетических, спектральных и временных характеристик этого процесса от температуры в диапазоне от 80 кельвинов до комнатной», — комментирует Дмитрий Генин.
Предварительные эксперименты, проведенные при охлаждении образца — алмазного кристалла с NV-центрами, помещенного в криостат при температуре около 80 кельвинов, показали, что полоса генерации, имеющая при комнатной температуре полуширину порядка шести нанометров, при понижении температуры расщепляется на две компоненты, неравные по амплитуде. Детальное изучение этого аспекта важно для понимания физики процессов, происходящих в процессе накачки и лазерной генерации в данной активной среде.
Исследования выполняются при поддержке РНФ (проект № 25-29-00702).
Ольга Булгакова, ТНЦ СО РАН
