СПОСОБ ВЫВОДА ИЗ ОСАЖДЁННОГО ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ АЛМАЗА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЦЕНТРОВ ОКРАСКИ
METHOD OF EMITTING ELECTROMAGNETIC RADIATION OF COLOUR CENTERS FROM DIAMOND DEPOSITED FROM GAS PHASE

Изобретение относится к нанооптике осажденного из газовой фазы алмаза и может быть использовано, например, для создания квантовых компьютеров, систем квантовой памяти, проведения высокочувствительных измерений с большим пространственным разрешением, построения изображений биологических тканей и решения других важных прикладных задач.
Изобретение направлено на увеличение доли извлекаемого из осажденного из газовой фазы алмаза электромагнитного излучения, испускаемого фотовозбуждаемыми внешним лазерным излучением центрами окраски (так называемыми NV-, SiV- и Ni-центрами и др.) алмазного образца в оптическом либо ближнем инфракрасном диапазонах длин волн. Актуальность этой задачи объясняется тем, что вследствие достаточно большого показателя преломления алмаза в этих спектральных областях (около 5,7), лишь очень небольшая часть фотолюминесценции центров окраски (примерно 4%) выходит из алмазного образца (имеющего, как правило, вид пластинки с толщиной порядка 0,5 мм и длиной и шириной, которые в дальнейшем будем называть характерными размерами алмазного образца, в несколько миллиметров) через его лицевую поверхность в воздух и используется для указанных выше приложений. Остальная часть фотолюминесценции центров окраски испытывает полное внутренне отражение на границе алмаза с воздухом и либо поглощается/рассеивается в алмазном образце или на его поверхности, либо выходит в воздух через его боковые грани.
Известен способ вывода электромагнитного излучения фотовозбуждаемых внешним лазерным излучением центров окраски через боковые грани алмазного образца (D. Le Sage, L.М. Pham, N. Bar-Gill, С. Belthangady, M.D. Lukin, A. Yacoby, and R.L. Walsworth, Efficient photon detection from color centers in a diamond optical waveguide, Physical Review B, v. 85, 121202(R) (2012)). Однако при этом излучение от каждого центра окраски проходит через значительную часть алмазного образца и резонансно поглощается на других таких же центрах окраски. Поэтому при большой концентрации центров окраски эффективность такого способа вывода их излучения является низкой.
В качестве прототипа выбран способ вывода излучения фотовозбуждаемых NV-центров, известный из статьи P. Siyushev, F. Kaiser, V. Jacques, I. Gerhardt, S. Bischof, H. Fedder, J. Dodson, M. Markham, D. Twitchen, F. Jelezko, and J. Wrachtrup, Monolitic diamond optics for single photon detection, Applied Physics Letters, v. 97, 241902 (2010). В прототипе предварительно подготавливают однородный в области под NV-центрами алмазный образец путем создания на лицевой поверхности образца полусферической линзы из алмаза диаметром 1 мм (т.е. диаметром в несколько раз меньшим характерных размеров алмазного образца) с помощью комбинации лазерной и механической обработки лицевой поверхности алмазного образца. В качестве источника возбуждающего NV-центры излучения используют Nd:Y:Al:гранатовый лазер с длиной волны (после удвоения частоты) 532 нм. Его излучение фокусируют в расположенный вблизи центра полусферической линзы NV-центр с помощью объектива с численной апертурой 0,85. Этот же объектив используют для сбора фотолюминесценции этого NV-центра, которую затем пропускают через фильтр коротких длин волн и анализируют в диапазоне длин волн 600-800 нм.
Недостатком прототипа является то, что с его помощью собирают с эффективностью 20-30% лишь излучение NV-центров, находящихся вблизи (на расстояниях порядка и меньше 30 мкм) от центра полусферической линзы. Эффективность сбора излучения от других NV-центров остается практически такой же, как и в отсутствие полусферической алмазной линзы, т.е. равной приблизительно 4%. Таким образом, учитывая, что подавляющая часть NV-центров в алмазном образце удалена от центра полусферической алмазной линзы на расстояния, большие 30 мкм, можно сделать вывод, что такая линза практически не увеличивает эффективность сбора излучения от всех NV-центров алмазного образца, которая поэтому остается равной примерно 4%.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является увеличение доли выводимого из алмазного образца электромагнитного излучения, испускаемого фотовозбуждаемыми внешним лазерным излучением центрами окраски.
Технический результат достигается тем, что в разработанном способе, как и способе-прототипе, на предварительно подготовленный алмазный образец воздействуют внешним лазерным излучением и собирают испускаемое фотовозбуждаемыми внешним лазерным излучением центрами окраски излучение с лицевой поверхности алмазного образца с помощью оптической системы.
Новым в разработанном способе является то, что образец подготавливают в процессе выращивания, для чего, с учетом длины волны необходимого выходного излучения, лежащей в оптическом либо ближнем инфракрасном диапазонах длин волн, в процессе роста алмазного образца под центрами окраски формируют периодическую последовательность чередующихся высоко- и низкодопированных бором слоев с необходимыми при данной длине волны выходного излучения числом периодов, толщинами и концентрациями бора в высокодопированных бором и низкодопированных бором слоях в каждом периоде, а затем, используя эффект брэгговского отражения излучения фотовозбужденных внешним лазерным излучением центров окраски от упомянутой периодической последовательности чередующихся высоко- и низкодопированных бором слоев, формируют локализованные моды фотолюминесценции с одинаковыми величинами волновых векторов, параллельных плоскости лицевой поверхности алмазного образца, после чего содержащееся в них излучение выводят из алмазного образца и фокусируют с помощью оптической системы, основанной на эффекте нарушенного полного внутреннего отражения и состоящей из выполненного из оптического стекла конуса с круглым основанием, диаметр которого значительно превышает характерные размеры алмазного образца, а угол при основании α подобран таким образом, что направления распространения электромагнитных полей локализованных мод в конусе ортогональны его боковой поверхности, а также окружающего конус конического зеркала с углом при основании 90°-α/2° и собирающей линзы, при этом круглое основание конуса размещают параллельно лицевой поверхности алмазного образца на расстоянии порядка масштаба экспоненциального спадания электромагнитного поля локализованных мод при удалении от лицевой поверхности алмазного образца, а центр круглого основания конуса размещают над центром алмазного образца.
Способ поясняется фиг. 1, где приведена схема, которую используют для реализации разработанного способа: 1 - алмазный образец, 2 - центры окраски, 3 - периодическая последовательность чередующихся высоко- и низкодопированных бором слоев, 4 - держатель образца с высокоточной системой позиционирования, 5 - конус с круглым основанием, 6 - коническое зеркало, 7 - собирающая линза. Стрелками показано направление распространения выводимого из алмазного образца излучения центров окраски.
Способ вывода из осажденного из газовой фазы алмаза электромагнитного излучения центров окраски реализуют следующим образом.
При осаждении из газовой фазы алмазного образца 1 в нем под центрами окраски 2 формируют периодическую последовательность чередующихся высоко- и низкодопированных бором слоев 3. Готовый алмазный образец 1 с помощью держателя алмазного образца с высокоточной системой позиционирования 4 устанавливают на малом расстоянии от круглого основания конуса 5 из оптического стекла так, что лицевая поверхность алмазного образца 1 параллельна круглому основания конуса 5, а центры алмазного образца 1 и круглого основания конуса 5 располагаются на одной вертикальной линии. Конус 5 с круглым основанием окружается коническим зеркалом 6. Над коническим зеркалом 6 размещают собирающую линзу 7 (см. Фиг. 1).
Вследствие наличия в осажденном из газовой фазы алмазном образце 1 под центрами окраски 2 периодической последовательности чередующихся высоко- и низкодопированных бором слоев 3 центры окраски 2 излучают не только фотоны, электромагнитные поля которых описываются нелокализованными модами, перемещающиеся по всему алмазному образцу 1 и либо поглощающиеся в нем, либо выходящие в окружающее пространство через его боковые грани, но и фотоны, локализованные вблизи лицевой поверхности алмазного образца 1 и свободно перемещающиеся только вдоль этой поверхности. Электромагнитные поля этих фотонов описываются локализованными вблизи лицевой поверхности алмазного образца 1 модами с одинаковыми по величине (однозначно определяемой частотой излучения центров окраски 2) волновыми векторами, параллельными плоскости лицевой поверхности алмазного образца 1 и имеющими в этой плоскости произвольное направление. Электромагнитное поле этих мод спадает при удалении от лицевой поверхности алмазного образца 1 как в воздухе, так и в алмазном образце 1. Локализация этих мод у лицевой поверхности алмазного образца 1 обусловлена, с одной стороны, их полным внутренним отражением от границы алмаза с воздухом у лицевой поверхности алмазного образца 1 и, с другой стороны, их отражением от находящейся под центрами окраски 2 периодической последовательности чередующихся высоко- и низкодопированных бором слоев 3.
Последнее связано с тем, что колебания в переменном электрическом поле свободных носителей заряда (дырок) в высокодопированных слоях приводят к отличию их поляризации (а следовательно, и диэлектрической проницаемости) от поляризации (а следовательно, и диэлектрической проницаемости) низкодопированных слоев. В результате диэлектрическая проницаемость алмаза оказывается периодически меняющейся в пространстве. Хорошо известно, что при определенном соотношении между длиной волны излучения, углом его падения на периодическую последовательность чередующихся слоев с различными диэлектрическими проницаемостями и толщинами этих слоев (соотношении Брэгга) излучение эффективно отражается от такой периодической последовательности слоев даже в случае небольшой разницы диэлектрических проницаемостей этих слоев при достаточно большом их числе. Данный эффект обусловлен когерентным сложением (т.е. конструктивной интерференцией) волн, отраженных от последовательных границ слоев.
Локализованные у лицевой поверхности алмазного образца 1 моды частично проникают в воздух, где они экспоненциально затухают при удалении от лицевой поверхности алмазного образца 1 вследствие того, что показатель преломления воздуха меньше, чем показатель преломления алмаза. Для реализации способа круглое основание конуса 5 размещают параллельно лицевой поверхности алмазного образца 1 на расстоянии порядка масштаба экспоненциального спадания электромагнитного поля локализованных мод при удалении от лицевой поверхности алмазного образца 1. Поскольку лицевая поверхность алмазного образца 1 находится на небольшом расстоянии от круглого основания конуса 5, то электромагнитные поля этих мод, минуя тонкий воздушный зазор между лицевой поверхностью алмазного образца 1 и круглым основанием конуса 5, попадают в конус 5. Вследствие того что показатель преломления конуса 5 с круглым основанием больше показателя преломления воздуха, электромагнитные поля этих мод перестают затухать при удалении от лицевой поверхности алмазного образца 1 и распространяются в конусе 5 с круглым основанием без затухания под определенным углом к плоскости его основания, задаваемым величиной волнового вектора локализованных мод и показателем преломления оптического стекла, из которого изготовлен конус 5 с круглым основанием. Угол α при основании конуса 5 подбирают таким образом, что направления распространения электромагнитных полей локализованных мод в нем ортогональны его боковой поверхности. В результате эти электромагнитные поля выходят из конуса 5 с круглым основанием в окружающее пространство, не испытывая полного внутреннего отражения на его поверхности. При этом, поскольку диаметр круглого основания конуса 5 значительно превышает характерные размеры алмазного образца 1, а центр круглого основания конуса 5 находится над центром алмазного образца 1, то сказанное справедливо для излучения любого из центров окраски 2 независимо от его положения в алмазном образце 1.
Данный метод вывода излучения из среды с показателем преломления, большим показателя преломления воздуха, в воздух называется методом нарушенного полного внутреннего отражения (см., например, S. Zhu, A.W. Yu, D. Hawley, and R. Roy, Frustrated total internal reflection: A demonstration and review, American Journal of Physics, v. 54, 601 (1986)). Его использование для вывода из алмазного образца 1 излучения центров окраски 2 возможно благодаря наличию под центрами окраски 2 периодической последовательности чередующихся высоко- и низкодопированных бором слоев 3. Такая последовательность приводит к формированию описанных выше локализованных мод. Значительная часть излучения центров окраски 2 сосредотачивается в этих модах, которые имеют одинаковую величину волнового вектора. Как было описано выше, именно величина волнового вектора этих мод определяет угол при основании конуса 5 (при заданном его показателе преломления), необходимый для вывода электромагнитных полей этих мод в окружающее пространство. Если бы периодической последовательности чередующихся высоко- и низкодопированных бором слоев 3 не было, то не было бы и локализованных у лицевой поверхности алмазного образца 1 мод с одинаковой величиной волнового вектора и излучение центров окраски 2 было бы распределено только между нелокализованными модами, параллельные лицевой поверхности алмазного образца 1 компоненты волновых векторов которых имели бы различные величины (как это происходит в прототипе). Поэтому конус 5 с определенным углом при основании выводил бы в воздух электромагнитные поля только тех из этих нелокализованных мод, величины параллельных лицевой поверхности алмазного образца 1 компонент волновых векторов которых отвечали бы этому углу, т.е. лишь небольшую часть излучения центров окраски 2.
В результате отражения от конического зеркала 6 с углом при основании 90°-α/2° выходящее из конуса 5 с круглым основанием излучение центров окраски 2 преобразуется в полый цилиндрический пучок параллельных лучей.
Собирающая линза 7, размещенная над коническим зеркалом 6, собирает эти лучи в своем фокусе.
Разработанный способ вывода излучения фотовозбуждаемых центров окраски 2 из алмазного образца 1 свободен от недостатков аналогов благодаря обеспечению малости расстояния, проходимого излучением каждого центра окраски в алмазном образце 1 до его вывода, и значительного превышения диаметром круглого основания конуса 5 характерных размеров алмазного образца 1. В результате он позволяет с одинаковой эффективностью выводить излучение всех центров окраски 2 независимо от их положения в алмазном образце 1 и концентрации.
20
-3
18
-3
Пример. В процессе роста алмазного образца под центрами окраски, являющимися NV-центрами с вакуумной длиной волны излучения 638 нм, формируют периодическую последовательность чередующихся высоко- и низкодопированных бором слоев с числом периодов, равным 50, каждый из которых состоит из высокодопированного бором слоя толщиной 78 нм и концентрацией атомов бора 4⋅10 см и низкодопированного бором слоя  толщиной 75 нм и концентрацией атомов бора 5⋅10 см, используют в оптической системе для вывода излучения конус с круглым основанием из оптического стекла с показателем преломления 2 и углом при основании α=33°, размещенный на расстоянии 100 нм от лицевой поверхности алмазного образца, и окружающее конус с круглым основанием коническое зеркало с углом при основании 90°-α/2=73,5°.
Расчеты, проведенные для этого частного случая реализации способа, показывают, что примерно 20% фотолюминесценции NV-центров содержится в указанных выше локализованных модах. Примерно половина содержащейся в них энергии выводится из алмазного образца (вторая половина затухает вследствие омической диссипации в высокодопированных слоях периодической последовательности чередующихся высоко- и низкодопированных бором слоев). Таким образом, в этом частном случае удается вывести из алмазного образца примерно 10% (т.е. в 10/4=2,5 раз больше, чем при использовании способа-прототипа) излучения каждого NV-центра независимо от его положения в алмазном образце и величины концентрации NV-центров.