Группе сотрудников 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 решётки 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 — незанятого 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», — отметил руководитель проекта, научный сотрудник лаборатории оптических излучений ИСЭ СО РАН кандидат физико-математических наук Дмитрий Генин.

Как объяснил учёный, 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.

При всех достоинствах 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 зелёной 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 учёные 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 т. д. Также интересна идея с передачей сигналов между частями электронной начинки космических аппаратов по оптоволокну вместо металлических проводников. Для этого нужны радиационно-стойкие лазеры, алмазные лазеры подходят идеально. Однако для их разработки 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», — пояснил 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 6 нанометров, при понижении температуры расщепляется на две компоненты, не равные по амплитуде. Детальное изучение этого аспекта важно для понимания физики процессов, происходящих в процессе накачки и лазерной генерации в данной активной среде.