Способ увеличения энергии генерации алмазного NV-лазера Российский патент 2024 года по МПК H01S3/42 H01S3/91 

Изобретение относится к способам и устройствам усиления лазерного излучения, и может быть использовано в устройствах связи для передачи информационных и управляющих сигналов. Наиболее перспективно видится применение устройства в области фотоники.

В настоящее время ведутся интенсивные разработки в области создания квантовых вычислительных систем, устройств позиционирования и навигации с использованием квантовых явлений на базе алмазов. Известно изобретение «Фотовозбуждаемый алмазный NV-лазер» [1], предполагающее создание интегральных оптических схем (аналог микросхем в электронике) на базе кристаллического углерода, то есть в процессе роста алмаза создавать в нем не только управляющие оптическим излучением компоненты, но и источник/и излучения. Повышение уровня сигнала (интенсивности излучения) в таких устройствах можно использовать как для модуляции излучения, так и для улучшения соотношения сигнал-шум, что может быть критически важным.

Известен способ усиления лазерного излучения, так называемое параметрическое усиление света, заключающееся в сложении двух оптических сигналов в нелинейной среде (кристалле). Предложения о возможности создания параметрических усилителей лазерного излучения впервые были озвучены в 1962 году [2-4].

Первые практические результаты по параметрическому усилению света были опубликованы в 1965 году [5, 6].

Суть метода заключается в следующем. При распространении мощного лазерного излучения с частотой ω₁ через нелинейный кристалл за счет модуляции диэлектрической проницаемости среды волна разделяется на две волны с частотами ω₂ и ω₃ удовлетворяющие условию:

ω₁= ω₂+ ω₃, (1)

Если при этом, если выполняется условие фазового синхронизма:

k₁= k₂+ k₃, (2)

где k₁, k₂, k₃ – соответствующие волновые вектора, то результирующие волны взаимодействуют друг с другом взаимно усиливаясь. Если подобрать резонатор для одной из волн (например, с частотой ω₂), то за счет многократного прохода по нелинейному кристаллу и взаимодействия со второй волной (с частотой ω₃) данное излучение можно существенно усилить. На этом принципе осуществляется перестройка лазерного излучения по частоте (длине волны) и его усиление.

Определенным недостатком такого способа усиления лазерного излучения является необходимость использования нелинейных кристаллов, форма которых определяется кристаллографической ориентацией относительно направления распространения первоначального направления. То есть для получения параметрического усиления лазерного излучения необходимо не только вырастить нелинейный кристалл, но и произвести определенную огранку, и точно установить кристалл в специально подобранный резонатор. Кроме того, для лучшего усиления, кристалл должен иметь как можно большую протяженность, что повышает требования к процессу выращивания нелинейного кристалла.

Еще одним недостатком данного способа является необходимость использования мощного лазерного излучения, воздействующего на нелинейный кристалл, порядка ГВт/см². При этом в кристалле могут возникать нелинейные и тепловые процессы, на которые расходуется часть поступающей энергии [7, 8].

Существует способ усиления и одновременно перестройки частоты генерации излучения за счет вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР). При прохождении мощного лазерного излучения через среду часть его поглощается молекулами вещества и переизлучается на меньшей частоте (стоксова волна) – спонтанное комбинационное рассеяние света. При достаточной мощности первичного излучения происходит стимуляция, усиление стоксовой волны – ВКР.

Это явление имеет пороговый характер, определяемый характеристиками используемого вещества, то есть при недостаточной энергии в излучении накачки для данного вещества, генерации стоксовой волны происходить не будет. Мало того, от характеристик вещества, через которое проходит излучение накачки существенным образом зависит частота, на которой будет генерироваться стоксовое излучение [9].

Наиболее близким к предлагаемому является способ повышения мощности лазерного излучения, предложенный в патенте № 2110127 [10]. Способ заключается во внесении в активный элемент твердотельного лазера редкоземельных элементов, обладающих апконверсионными свойствами послойно, в частности, в кристалл иттрий-алюминиевого граната предложено вносить ионы эрбия (Er³⁺) и выравнивания излучения накачки. За счет этого и чередования слоев, содержащих и не содержащих Er³⁺ в лазерном кристалле, удалось снизить температуру нагрева кристалла. Что позволило увеличить интенсивность излучения накачки и как следствие увеличить мощность лазера. Недостаток данного способа заключается в использовании материалов с апконверсионными свойствами, в результате чего происходит перестройка лазерного излучения по частоте.

Общим недостатком всех перечисленных способов увеличения энергии лазерного излучения является сопутствующая необходимость перестройки излучения по частоте.

Технической задачей является создание способа увеличения энергии лазерного излучения алмазного NV-лазера без перестройки частоты генерации.

Технический результат: увеличение энергии лазерного излучения, создаваемого алмазным NV-лазером.

Достижение технического результата обеспечивается тем, что монокристаллический алмаз, содержащий замещающий азот N_S с концентрацией 20-250 ppm и NV–центры в отрицательном зарядовом состоянии с концентрацией, составляющей 2.5-5.0 % от концентрации N_S, облучается импульсным лазерным излучением второй гармоники Nd:YAG-лазера с длиной волны 532 нм и дополнительно непрерывным или импульсно-периодическим низкоинтенсивным лазерным излучением с длиной волны меньше 490 нм.

При этом алмазный кристалл, являясь активной средой алмазного NV–лазера, генерирует лазерное излучение в спектральном диапазоне 710-730 нм с увеличенной энергией в импульсе.

Способ увеличения энергии лазерного излучения алмазного NV-лазера реализуется следующим образом.

На фиг. 1 представлена схема экспериментальной установки, демонстрирующей реализацию заявляемого способа увеличения энергии лазерного излучения алмазного NV-лазера.

На алмазный кристалл (1) через нейтральные фильтры (2) подается импульсное лазерное излучение (3) Nd:YAG-лазера (4). Одновременно с этим кристалл подсвечивается низкоинтенсивным излучением (5) от непрерывного или импульсно-периодического лазерного источника (например, лазерного диода) (6). Излучение (7) генерируемое алмазным NV-лазером регистрируется спектрометром (8) и фотодетектором (9).

На фиг.2 представлены фотографии установки, при дополнительной подсветке излучением 405 нм. Обозначения на фотографиях соответствуют обозначениям на схеме (фиг.1).

Пример 1 Дополнительное облучение алмазного кристалла лазерным излучением 405 нм.

Фиг. 3 показано изменение импульсного лазерного излучения алмазного лазера (λ=720нм) при различных энергиях накачки (λ=532нм) и различных мощностях дополнительной подсветки непрерывным лазером (λ=405нм), кривые: 1 – без подсветки; 2 – 5 мВт; 3 – 50 мВт; 4 – 100 мВт; 5 – 150 мВт. За счет дополнительной подсветки энергия в импульсе алмазного лазера возрастает в ~2,8 – 3,5 раза.

Пример 2 Дополнительное облучение алмазного кристалла лазерным излучением 450 нм.

На фиг. 4 представлен график изменения энергии в импульсе алмазного лазера при оптической накачке импульсным лазером (532нм) без дополнительной подсветки (кривая 1) и при дополнительной подсветке импульсно-периодическим лазерным излучением (450нм) мощностью ~150 мВт, частота модуляции 1 Гц (кривая 2). Видно, что при сравнимой с Примером 1 вкладываемой мощности дополнительной подсветки, энергия в импульсе алмазного лазера увеличивается в 6,43-3,8 раза, что больше чем в предыдущем Примере 1.

Пример 3 Дополнительное облучение алмазного кристалла лазерным излучением 488 нм.

На фиг. 5 представлен график изменения энергии в импульсе алмазного лазера при оптической накачке импульсным лазером (532нм) без дополнительной подсветки (кривая 1) и при дополнительном облучении алмазного кристалла непрерывным лазерным излучением (488нм) (кривая 2). Из графика видно, что по сравнению с Примером 2 способность алмазного кристалла увеличивать энергию в импульсе за счет дополнительной подсветки резко снизилась. Дополнительное облучение кристалла лазерным излучением на длине волны 488 нм позволило увеличить энергию в импульсе алмазного лазера в 4,28-1,56 раза.

Пример 4 Дополнительное облучение алмазного кристалла лазерным излучением 522 нм.

На фиг. 6 представлены спектры люминесценции алмазного кристалла в случае облучения его излучением второй гармоники Nd:YAG-лазера (532 нм), энергия в импульсе 5,14 мДж (кривая 1), в случае дополнительного облучения непрерывным излучением лазера с длинной волны 522 нм (кривая 2) и для сравнения представлен спектр лазерного импульса этого же алмазного кристалла в случае дополнительного облучения импульсно-периодическим лазерным излучением (450нм) мощностью ~150 мВт. Из спектрограмм видно, что в случае облучения алмазного кристалла дополнительным излучением лазера (522 нм) лазерной генерации не происходит. Видно лишь небольшое увеличение люминесценции.

Эффект увеличения энергии в импульсе алмазного лазера объясняется ионизацией NV⁰ – центров низкоинтенсивным лазерным излучением с длинной волны менее 490 нм, что приводит к увеличению количества NV^– центров, участвующих в создании лазерного излучения алмазного кристалла. В течении некоторого времени, ~10-15 c после прекращения дополнительного облучения, NV^– центры постепенно возвращаются в исходное состояние и перестают вносить вклад в лазерное излучение.

Результаты экспериментов показали, что при дополнительной подсветке с длинной волны выше 490 нм увеличения энергии в импульсе алмазного лазера не происходит.

Таким образом, настоящее изобретение позволяет реализовать способ увеличения энергии в импульсе алмазного NV-лазера за счет одновременного облучения активного элемента алмазного NV-лазера излучением второй гармоники Nd:YAG-лазера и низкоинтенсивным лазерным излучением с длинной волны менее 490 нм. При этом увеличение энергии происходит на длине волны генерации алмазного NV-лазера.

Способ увеличения энергии в импульсе алмазного NV-лазера позволяет модулировать излучение данного лазера по амплитуде, что можно использовать в передаче информационных сигналов, а также улучшить отношение сигнал/шум в лазерных алмазных устройствах передачи данных.

Источники информации.

1. Патент на изобретение № 2779410 «Фотовозбуждаемый алмазный NV-лазер», приоритет 08.09.2021

2. Ахманов С. А., Хохлов Р. В., Об одной возможности усиления световых волн // ЖЭТФ, 43(7), 351 (1962)

3. Kroll H. Parametric amplification in spatially extended media and application to the design of tunable oscillation at optical frequencies // Phys. Rev. V.127. P. 1207. 1962. DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRev.127.1207

4. Kingston R. Parametric amplification and oscillation at optical frequencies // Proc. IRE. V.50. P. 472. 1962.

5. Ахманов С.А., Ковригин А.И., Пискарскас А.С., Фадеев В.В., Хохлов Р.В. Наблюдение параметрического усиления в оптическом диапазоне // Письма в ЖЭТФ, Т. 2, В. 7, (1965). http://www.jetpletters.ac.ru

6. J. Giordmaine, R. Miller, Tunable Coherent Parametric Oscillation in LiNb3 at Optical Frequencies, Physics of Quantum Electronics Conf., McGrow-Hill, N. Y., 1965; см. также Phys. Rev. Letts. 14, 973 (1965). DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.14.973

7. Р.Данелюс, К.Дичкус, В.Кабелка, А.Пискарскас, А.Стабинис, Я.Ясевичюте. Параметрическое возбуждение света в пикосекундном диапазоне. Квантовая электроника т.4 №11, 1977, с.2379-2395.

8. Дмитриев В.Г. Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика: Генераторы второй гармоники и параметрические генераторы света. - M.: Радио и связь, 1982. - 352 с.

9. Делоне Н. Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом: курс лекций / Москва: Наука, 1989. – 277.

10. Пат. 2110127 Российская Федерация, МПК H01S 3/10 способ повышения эффективности твердотельного лазера / Жеков В.И., Попов А.В., Студеникин М.И., Карпунин В.И.; № 94020063/25; заявл. 27.05.1994; опубл. 27.04.1998; https://fips.ru/iiss/document.xhtml?faces-redirect=true&id=e2f75f3e1edff5bed5d1a7e5e0c0b6a3

Изобретение относится к способам и устройствам усиления лазерного излучения и может быть использовано в устройствах связи для передачи информационных и управляющих сигналов. Способ увеличения энергии генерации алмазного NV-лазера обеспечивается тем, что монокристаллический алмаз, содержащий замещающий азот N_S с концентрацией 20-250 ppm и NV-центры в отрицательном зарядовом состоянии с концентрацией, составляющей 2.5-5.0 % от концентрации N_S, облучается импульсным лазерным излучением второй гармоники Nd:YAG-лазера с длиной волны 532 нм и дополнительно непрерывным или импульсно-периодическим низкоинтенсивным. Технический результат - увеличение энергии лазерного излучения, создаваемого алмазным NV-лазером. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ увеличения энергии генерации алмазного NV-лазера, включающий одновременное облучение монокристаллического алмаза, содержащего замещающий азот N_S с концентрацией 20-250 ppm и NV-центры в отрицательном зарядовом состоянии с концентрацией, составляющей 2.5-5.0 % от концентрации N_S, импульсным лазерным излучением второй гармоники Nd:YAG-лазера с длиной волны 532 нм и дополнительным низкоинтенсивным лазерным излучением, длина волны которого меньше 490 нм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительное низкоинтенсивное лазерное излучение является непрерывным.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительное низкоинтенсивное лазерное излучение является импульсно-периодическим.