Квантовые технологии лазерного формирования и широкополосной спектральной идентификации оптически-активных комплексов точечных дефектов в природных алмазах для промышленного трейсинга

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-79-30063

НазваниеКвантовые технологии лазерного формирования и широкополосной спектральной идентификации оптически-активных комплексов точечных дефектов в природных алмазах для промышленного трейсинга

Руководитель Кудряшов Сергей Иванович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №53 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований научными лабораториями мирового уровня в рамках реализации приоритетов научно-технологического развития Российской Федерации» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-708 - Лазерно-информационные технологии

Ключевые слова природные алмазы, оптически-активные точечные дефекты (нанокомплексы дефектов), широкополосная УФ-ИК характеризация, высокоиндексная твердая иммерсия, лазеры ультракоротких импульсов, генерация пар междоузлие-вакансия, квантовые (атермические) процессы генерации и трансформации нанокомплексов дефектов, голографическое 3Д-картирование алмаза, трейсинг алмазов

Код ГРНТИ29.33.47

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность задачи состоит в том, что несмотря на значительные усилия компаний, занимающихся добычей и продажей природных алмазов, до сих пор не создано эффективной системы трейсинга, обеспечивающей идентификацию каждого отдельного кристалла в цепочке добычи-продажи-огранки. Существующие подходы трейсинга природных алмазов базируются на простом фотографировании внешнего вида кристаллов (в схемах сертификации африканских кристаллов) или технологии трехмерного сканирования внешней формы. В АК «АЛРОСА» разрабатывается технология трейсинга на основе внешней морфологии и спектроскопии поглощения в инфракрасной области. Отдельными российскими учеными предлагается использовать обычную спектроскопию фотолюминесценции для идентификации источника (месторождения) происхождения алмазов. Зарубежными компаниями разрабатываются технологии сравнительного анализа изотопного или микропримесного состава инвазивным методом лазерной абляции микроколичеств вещества с поверхности алмазов. Необходимость трейсинга связана, во-первых, с тем, что быстрое развитие технологий производства синтетических алмазов методами воздействия высоких давлений/температур и напыления в последние годы привело к существенному снижению их себестоимости. В результате, на рынок под видом природных поступает все большее число искусственных алмазов, причем качество подобных имитаций постоянно растет - имитируются спектральные характеристики и даже посторонние минеральные включения, характерные для природных алмазов. Во-вторых, на мировом рынке давно существует проблема контрафактных алмазов. Для предотвращения торговли "конфликтными" и "кровавыми" алмазами, которые добываются в зоне локальных военных действий - зачастую, с использованием рабского и детского труда - и доходы от продажи которых идут на финансирование преступных группировок и терроризма, созданы международные органы - такие, как Кимберлийский процесс и Всемирный алмазный совет. Практическое создание технологии надежного трейсинга алмазов является важной задачей для РФ и мирового сообщества в целом. В 2020 году Российская Федерация является председателем в Кимберлийском процессе, и это налагает определенную ответственность за развитие цифровых, интеллектуальных производственных технологий роботизированной идентификации и отслеживания (трейсинга) алмазов. Несмотря на усилия Правительства РФ в рамках Постановления от 24.03.2018 N 321 "О проведении эксперимента по маркировке отдельных видов драгоценных металлов, драгоценных камней и изделий из них" значимых успехов в этом направлении не достигнуто. Сложность реализации промышленного трейсинга состоит в том, что для его реализации требуется дорогостоящая аппаратура и большие временные затраты в пересчете на каждый единичный кристалл, кроме того для природных алмазов имеется большая вариативность дефектов в процессе роста, в зависимости от скорости роста, температуры, давления, химического состава флюидов и материнских пород. Также, различные кристаллографические направления в алмазах по-разному захватывают примеси. При этом кристаллы часто имеют признаки цикличного роста при нахождении в верхней мантии, с перерывами роста вплоть до 1 миллиарда лет. Все это в совокупности выражается в значительно выраженной зональности и секториальности кристаллов, которые делают существующие решения трейсинга крайне ненадежными. Наши предварительные результаты изучения природных алмазов показывают, что задачу трейсинга природных алмазов возможно решить с применением принципиально нового подхода, базирующегося на технологии широкополосной (УФ-средний ИК диапазоны) идентификации существующих, а также направленно и прецизионно формируемых ультракороткими лазерными импульсами (фемто-пикосекундной длительности) в объеме кристаллов нанокомплексов собственных и примесных дефектов кристаллической структуры, а также объемного голографического картографирования поляризованной фотолюминесценции оптически-активных центров, отражающих их индивидуальные особенности роста и структуру лазерной подписи, представляют интерес для крупной российской компании "АЛРОСА" (см. прилагаемое письмо АК «АЛРОСА»). Реализованные методы будут эффективным инструментом для определения внутренних напряжений и протяжённых дефектов (дислокаций, дислокационных стенок, малоугловых границ, двойников, дефектов упаковки, микровключений и пр.), оптически-активных в фотолюминесценции и поглощении пространственных дефектов типа Plateles в объёме природного алмаза, а также создаваемых ультракороткими лазерными импульсами оптически-активных дефектов с заданными свойствами, служить уникальным, повторно невоспроизводимым, криптографическим ключом или ID-номером каждого кристалла для практического осуществления идеи трейсинга алмазов. Данный подход послужит основой для разработки цифровых, интеллектуальных производственных технологий роботизированной идентификации и отслеживания (трейсинга) алмазов с использованием создаваемых больших баз данных добытых природных алмазов (объем информации по картографированию одного кристалла - до 20 ГБ), их машинному анализу с использованием систем машинного обучения и искусственного интеллекта. Предлагаемый проект предполагает фундаментальные исследования (фото)физических механизмов, ответственных за лазерную генерацию и структурно-оптическую трансформацию нанокомплексов точечных дефектов в природных алмазах с различными типами природных примесей замещения/внедрения (азот, кремний) в широком диапазоне концентраций последних примесей, и разработку соответствующих технологий как пассивной широкополосной (УФ-средний ИК диапазоны) идентификации существующих нанокомплексов дефектов для формирования баз данных, так и активного атермического (квантового) формирования новых, заданных типов нанокомплексов дефектов с помощью высокопроизводительных лазерных систем ультракоротких импульсов для их будущего трейсинга. Обнаруженные нами недавно в природных алмазах квантовые эффекты взаимодействия нанокомплексов дефектов с ультракороткими лазерными импульсами требуют проведения неотложных фундаментальных исследований и могут дать толчок для новых квантовых технологий на основе алмаза. Научная новизна состоит в том, что в рамках проекта будут отработаны методы и технологии пассивной широкополосной (УФ-средний и ИК) спектральной идентификации дефектных нанокомплексов в алмазах и основанного на ней голографического картографирования оптически-активных протяженных дефектов в ограненных и неограненных природных алмазах с различными типами природных примесей замещения/внедрения в широком диапазоне концентраций. Также впервые будут исследованы фотофизические механизмы направленной, активной атермической (квантовой) структурной и оптической избирательной трансформации комплексов точечных дефектов в природных алмазах с применением высокопроизводительных лазерных систем генерирующих ультракороткие импульсы, и на их основе разработаны инновационные технологии пространственного формирования оптически-активных центров в алмазах способных служить основой для квантовой электроники, а также для формирования идентифицирующих кристаллы лазерных подписей. Будут отработаны инновационные методы создания и использования высокоиндексной (с показателем преломления, близким к таковому для алмаза для видимого, ближнего и среднего ИК диапазонов, где расположены все полосы поглощения и флуоресценции точечных дефектов) твердой иммерсии для широкополосной спектральной идентификации, оптико-микроскопической инспекции и лазерной модификации комплексов оптически-активных точечных дефектов в объеме неограненных алмазов, и на их основе разработаны соответствующие инновационные технологии, которые на сегодняшний день отсутствуют, но крайне востребованы алмазной индустрией (см. письмо АК «АЛРОСА»). Реализация проекта позволит создать полностью цифровые, интеллектуальные инновационные технологии роботизированной идентификации и трейсинга (отслеживания) алмазов во всей цепочке движения алмазов – от извлечения на обогатительной фабрики до их продажи, с использованием в маркетинговых целях создаваемых больших баз данных добытых природных алмазов, их машинного анализа с использованием систем машинного обучения и искусственного интеллекта, что в свою очередь позволит защитить крупного отечественного производителя АК "АЛРОСА" (ПАО) от недобросовестной конкуренции, что имеет большое имиджевое, социально-экономическое значение для Российской федерации.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кудряшов С.И., Данилов П. А., Смирнов Н.А., Сцепуро Н. Г., Рупасов А.Е., Хмельницкий Р.А., Олейничук Е. А., Кузьмин Е.В., Левченко А.О., Гулина Ю.С., Шелыгина С.Н., Созаев И.В., Ковалев М.С., Ковальчук О.Е. Signatures of ultrafast electronic and atomistic dynamics in bulk photoluminescence of CVD and natural diamonds excited by ultrashort laser pulses of variable pulsewidth Applied Surface Science, v.575, 151736 (год публикации - 2021)
10.1016/j.apsusc.2021.151736

2. Красин Г. К., Ковалев М. С., Данилов П. А., Сцепуро Н. Г., Олейничук Е. А., Бибичева С. А., Мартовицкий В. П., Кудряшов С. И. Абляция кристаллических пластин ориентации (111) и (001) ультракороткими лазерными импульсами с вращаемой линейной поляризацией Письма в ЖЭТФ, т.114, 147-153 (год публикации - 2021)
10.31857/S1234567821150015

3. Красин Г.К., Кудряшов С.И., Данилов П.А., Смирнов Н.А., Левченко А.О., Ковалев М.С. Ultrashort-laser electron–hole plasma and intragap states in diamond THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL D, 75:221 (год публикации - 2021)
10.1140/epjd/s10053-021-00234-0

4. Кудряшов С.И., Данилов П.А., Смирнов Н.А., Левченко А.О., Ковалев М.С., Гулина Ю.С., Ковальчук О.Е., Ионин А.А. Femtosecond-laser-excited luminescence of the A-band in natural diamond and its thermal control Optical Materials Express, 11 (8), 2505-2513 (год публикации - 2021)
10.1364/OME.427788

5. Кудряшов С.И., Сцепуро Н.Г., Данилов П.А., Смирнов Н.А., Левченко А.О., Ковалев М.С. Cumulative defocusing of sub-MHz-rate femtosecond-laser pulses in bulk diamond envisioned by transient A-band photoluminescence Optical Materials Express, 11 (7), 2234-2241 (год публикации - 2021)
10.1364/OME.428640

6. Гулина Ю.С., Кудряшов С.И., Смирнов Н.А., Кузьмин Е.В. Жесткая фокусировка ультракоротких лазерных импульсов в объем ZnSe Оптика и Спектроскопия (год публикации - 2022)

7. Смирнов Н.А., Рупасов А.Е., Шелыгина С. Н., Левченко А. О., Савинов М.С., Кудряшов С.И. Исследование оптических нелинейных свойств объемного ZnSe для иммерсионных применений Оптика и Спектроскопия (год публикации - 2022)

8. Олейничук Е.А., Данилов П.А., Леднев В.Н., Сдвиженский П. А., Тарелкин С. А., Хмельницкий Р. А. Лазерно-индуцированная люминесценция синтетического алмаза, легированного бором, при различной длительности лазерного импульса Оптика и Спектроскопия (год публикации - 2022)

9. Данилов П.А., Кудряшов С.И., Левченко А.О., Олейничук Е.А., Ковальчук О.Е. Лазерно-индуцированные люминесцентные центры в алмазе: влияние экспозиции и длительности ультракоротких лазерных импульсов Оптика и Спектроскопия (год публикации - 2022)

10. Красин Г.К., Сцепуро Н.Г., Ковалев М.С., Данилов П.А., Кудряшов С.И. Detection and study of polarized pulsed photoluminescence of diamonds for mapping of natural diamond Journal of Physics: Conference Series, 2127(1):012050 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2127/1/012050

11. Сцепуро Н.Г., Ковалев М.С., Красин Г.К., Данилов П.А., Кудряшов С.И. Three-dimensional mapping of the optical centers in the bulk of natural diamond by photoluminescent spectroscopy Journal of Physics: Conference Series, 2127(1):012049 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2127/1/012049

12. Сцепуро Н., и др. Surface Depth-Mapping of Material via the Transport-of-Intensity Equation Photonics, 9, 11, 815 (год публикации - 2022)
10.3390/photonics9110815

13. Кудряшов С.И., и др. Pulse-width-dependent critical power for self-focusing of ultrashort laser pulses in bulk dielectrics Optics Letters, 47(14), 3487-3490 (год публикации - 2022)
10.1364/OL.462693

14. Данилов П., и др. Up/Down-Scaling Photoluminescent Micromarks Written in Diamond by Ultrashort Laser Pulses: Optical Photoluminescent and Structural Raman Imaging Micromachines, 13, 11, 1883 (год публикации - 2022)
10.3390/mi13111883

15. Хмельницкий Р.А., и др. Optimal direction and propagation of mid-IR light inside rough and polished diamonds for highly-sensitive transmission measurements of nitrogen content Diamond and Related Materials, 128, 109278 (год публикации - 2022)
10.1016/j.diamond.2022.109278

16. Красин Г.К., и др. Polarization-dependent near-IR ultrashort-pulse laser ablation of natural diamond surfaces Applied Surface Science, 595, 153549 (год публикации - 2022)
10.1016/j.apsusc.2022.153549

17. Гулина Ю.С. Измерение коэффициента двухфотонного поглощения ультракоротких лазерных импульсов с длиной волны 1030 nm на центрах окраски природного алмаза Оптика и спектроскопия, 130 (4), 540-543 (год публикации - 2022)
10.21883/OS.2022.04.52269.60-21

18. Кудряшов С.И. и др. Трансформации спектра оптического фонона, возбуждаемого в комбинационном рассеянии в объеме алмаза ультракороткими лазерными импульсами варьируемой длительности Письма в ЖЭТФ, 115(5), 287-291 (год публикации - 2022)
10.31857/S1234567822050020

19. Красин Г. К., Сцепуро Н. Г., Мартовицкий В. П., Ковалев М. С. Поляризационно-зависимая филаментация фемтосекундных лазерных импульсов в синтетическом алмазе Оптика и спектроскопия, 130 (4), 507 (год публикации - 2022)
10.21883/OS.2022.04.52263.61-21

20. Рупасов А. Е., Данилов П. А., Ионин А. А., Смирнов Н. А., Кудряшов С. И., Хмельницкий Р. А., ... Ширяев В. С. Взаимодействие фемтосекундного лазерного излучения с халькогенидными стеклами различного состава Оптика и спектроскопия, 130 (4), 550-554 (год публикации - 2022)
10.21883/OS.2022.04.52271.53-21

21. Настулявичус А.А., Хмельницкий Р.А., Шелыгина С.Н., Перваков К.С., Кудряшов С.И. Перспективы использования жидкой иммерсии на основе наночастиц германия в ИК спектроскопии Оптика и спектроскопия, 130 (4), 574-578 (год публикации - 2022)
10.21883/OS.2022.04.52276.57-21

22. Сцепуро Н.Г. и др. Wavelength-Independent Correlation Detection of Aberrations Based on a Single Spatial Light Modulator Photonics, 9, 909 (год публикации - 2022)
10.3390/photonics9120909

23. Кудряшов С.И., и др. Permanent optical bleaching in HPHT-diamond via aggregation of C-and NV-centers excited by visible-range femtosecond laser pulses Carbon, 201, 399-407 (год публикации - 2023)
10.1016/j.carbon.2022.09.040

24. Кудряшов С.И. и др. “Stealth Scripts”: Ultrashort Pulse Laser Luminescent Microscale Encoding of Bulk Diamonds via Ultrafast Multi-Scale Atomistic Structural Transformations Nanomaterials, 1, 13, 192 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13010192

25. Красин Г.К. и др. Polarization-Sensitive Nonlinear Optical Interaction of Ultrashort Laser Pulses with HPHT Diamond Photonics, 10, 106 (год публикации - 2023)
10.3390/photonics10020106

26. Римская Е. и др. Interactions of Atomistic Nitrogen Optical Centers during Bulk Femtosecond Laser Micromarking of Natural Diamond Photonics, 10, 135 (год публикации - 2023)
10.3390/photonics10020135

27. Кудряшов С.И. и др. Intrapulse Correlated Dynamics of Self-Phase Modulation and Spontaneous Raman Scattering in Synthetic Diamond Excited and Probed by Positively Chirped Ultrashort Laser Pulses Photonics, 10, 626 (год публикации - 2023)
10.3390/photonics10060626

28. Кудряшов С.И. и др. Advanced Mapping of Optically-Blind and Optically-Active Nitrogen Chemical Impurities in Natural Dia-monds Chemosensors, 11,24 (год публикации - 2023)
10.3390/chemosensors11010024

29. Кудряшов С.И. и др. Photoluminescent Microbit Inscripion Inside Dielectric Crystals by Ultrashort Laser Pulses for Archival Applications Micromachines, 14, 1300 (год публикации - 2023)

30. Кудряшов С.И. и др. Nanoscale Vacancy-Mediated Aggregation, Dissociation, and Splitting of Nitrogen Centers in Natural Diamond Excited by Visible-Range Femtosecond Laser Pulses Nanomaterials, 13, 258 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13020258

31. Вяткин С.В. и др. Electron Paramagnetic Resonance Sensing of «Hidden» Atomistic and Cooperative Defects in Femtosecond Laser-Inscribed Photoluminescent Encoding Patterns in Diamond Photonics, 10, 973 (год публикации - 2023)
10.3390/photonics10090979

32. Хмельницкий Р.А. и др. Novel Robust Internal Calibration Procedure for Precise FT-IR Measurements of Nitrogen Impurities in Diamonds Chemosensors, 11, 313 (год публикации - 2023)
10.3390/chemosensors11060313

33. Кудряшов С.И. и др. Productivity of Concentration-Dependent Conversion of Substitutional Nitrogen Atoms into Nitrogen-Vacancy Quantum Emitters in Synthetic-Diamond by Ultrashort Laser Pulses Micromachines, 14, 1397 (год публикации - 2023)
10.3390/mi14071397

34. Гулина Ю.С. и др. Numerical Aperture-Dependent Spatial Scaling of Plasma Channels in HPHT Diamond Photonics, 10, 1177 (год публикации - 2023)
10.3390/photonics10101177

35. Сцепуро Н.Г., Ковалев М.С., Злоказов Е.Ю., Кудряшов С.И. Breaking of Wavelength-Dependence in Holographic Wavefront Sensors Using Spatial-Spectral Filtering Sensors, 2023, 23(4), 2038 (год публикации - 2023)
10.3390/s23042038

36. Сцепуро Н.Г., Ковалев М.С. Spatial-spectral filtering of a light field using a phase light modulator Optics and Spectroscopy, 2023, Vol. 131, No. 2 (год публикации - 2023)

37. Смиров Н.. и др. Твердотельная ZnSe-иммерсия для визуализации дефектов внутри алмаза Оптика и спектроскопия, 2, 131, 241-246 (год публикации - 2023)
10.21883/OS.2023.02.55014.7-23

38. Римская Е.Н. и др. Трёхмерная микроспектроскопия оптических центров в цветных природных алмазах Оптика и спектроскопия, 2,131, 154-159 (год публикации - 2023)
10.21883/OS.2023.02.54997.4-23

39. Помазкин Д.А. и др. Люминесценция природных алмазов, индуцированная ультракороткими лазерными импульсами ульрафиолетового диапазона Оптика и спектроскопия, 2, 131, 174-178 (год публикации - 2023)
10.21883/OS.2023.02.55000.11-23

40. Кудряшов С.И. и др. Intrapulse in situ Raman probing of electron, phonon and structural dynamics in synthetic diamond excited by ultrashort laser pulses: Insights into atomistic structural damage Carbon, 217,118606 (год публикации - 2023)
10.1016/j.carbon.2023.118606

41. Кудряшов С.И. и др. Photo-physical characteristics of color N3-center in diamond studied via UV femtosecond-laser pumped luminescence Optics Letters, n/a (год публикации - 2023)
10.1364/OL.511598

42. Кудряшов С.И. и др. Vibrational anharmonicity of A-band related optical center and its temperature dependence studied by femtosecond laser excitation in bulk natural diamond Communications in physics (год публикации - 2024)

43. Кудряшов С.И. и др. Однофотонное фемтосекундное лазерное возбуждение фотолюминесценции Н3- и Н4-центров природного алмаза для измерения их концентраций Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики (год публикации - 2024)

44. Кузьмин Е.В. И др. Структурная микромодификация алмаза фемтосекундными лазерными импульсами через оптический контакт с нелинейной сильнорефрактивной иммерсионной средой Письма в ЖЭТФ, т.119, 4, 267-272 (год публикации - 2024)
10.31857/S1234567824040049

45. Кудряшов С.И. и др. Two-hole “desorption” mechanism of interstitial-vacancy pair generation visualized by avalanche-like color-center yield in synthetic diamond under ultrashort-pulse laser exposure Optical Materials, 151, 115429 (год публикации - 2024)
10.1016/j.optmat.2024.115429

46. кудряшов С.И. и др. Гибридное фотовозбуждение сверхчистого алмаза фемтосекундными лазерными импульсами среднего ИК-диапазона Письма в ЖЭТФ, том 120, вып. 5, с. 340 – 345 (год публикации - 2024)
10.31857/S0370274X24090049,

47. Зеленина А. и др. High-temperature multi-vacancy mediated diffusion of nitrogen in diamond: MD simulations and mid-IR laser experiments Diamond & Related Materials , 148, 111427 (год публикации - 2024)

48. Помазкин Д.А. и др. КР-микроспектроскопия напряжений, возникающих при фемтосекундном лазерном микропробое алмаза Оптика и спектроскопия, том 132, вып. 1, 75-78 (год публикации - 2024)
10.61011/OS.2024.01.57553.2-24

49. Смирнов Н.А. и др. Прямое многофотонное фемтосекундное ИК-лазерное возбуждение решетки алмаза в двухфононной области и модификация центров окраски Письма в ЖЭТФ, т.119, 6, 411-416 (год публикации - 2024)
10.31857/S1234567824060016

50. Горевой А. и др. Transitions of nitrogen optical centers induced by femtosecond laser pulses in treated natural diamond Optical Materials, 151, 115350 (год публикации - 2024)
10.1016/j.optmat.2024.115350

51. Гулина Ю.С. и др. Влияние числовой апертуры на режим фокусировки ультракоротких лазерных импульсов в объем синтетического алмаза Оптика и спектроскопия, том 132, вып. 1, с. 21-26 (год публикации - 2024)
10.61011/OS.2024.01.57544.3-24

52. Смирнов Н.А и др. Нелинейно-оптические свойства халькогенидного стекла Ge7Sb93 как легкоплавкой иммерсионной среды для фемтосекундной лазерной маркировки алмазов в ближнем ИК-диапазоне Письма в ЖЭТФ, том 121, вып 1 (год публикации - 2025)

53. Вяткин С.В. и др. Новый высокосимметричный структурный радиационный дефект в алмазе, выявленный методом ЭПР Письма в ЖЭТФ, том 121, вып.3 (год публикации - 2025)

Публикации

12. Сцепуро Н., и др. Surface Depth-Mapping of Material via the Transport-of-Intensity Equation Photonics, 9, 11, 815 (год публикации - 2022)
10.3390/photonics9110815

Публикации

12. Сцепуро Н., и др. Surface Depth-Mapping of Material via the Transport-of-Intensity Equation Photonics, 9, 11, 815 (год публикации - 2022)
10.3390/photonics9110815

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Измерены сечения линейного поглощения центров окраски NV, H3 и N3 по данным пропускания фемтосекундных импульсов с варьируемой длиной волны и интенсивностью, что позволило по данным спектрофотометрического анализа в видимом диапазоне определять локальные концентрации этих центров, выбирать эталоны известной концентрации для фотолюминесцентного картирования концентрации центров методами однофотонного и двухфотонного возбуждения люминесценции, в том числе – в цветных алмазах. В сверхчистых синтетических алмазах, полученных методом гомоэпитаксиального роста, при измерении концентрации NV- центров с использованием эталона методом 3Д-сканирующей ФЛ-микроспектроскопии была достигнута чувствительность детектирования на уровне (суб)ppt (<10-12). Опробован подход к полуколичественному объемному картированию локальных концентраций основных нелюминесцирующих А,С-центров в синтетических и природных алмазах по коэффициентам двухфотонного поглощения, получены качественные результаты оценки локальной концентрации этих центров. Методом электронного парамагнитного резонанса обнаружен новый высокосимметричный структурный центр с g-фактором 2,018, значительной величиной расщепления в нулевом поле D = 2886 MHz, а также симметрией <111> (C3v), близкий к группе радиационных парамагнитных центров R5 – R12. Структурная модификация основных фотолюминесцирующих центров NV,H3 в синтетических и природных алмазах путем резонансного однофотонного внутрицентрового возбуждения фс-лазерным излучением в анти- и стоксовой области, а также на линии БФЛ, показала более высокую эффективность в анти-стоксовой области более сильного линейного поглощения, за которым может скрываться последующий переход «примесь-зона». Для нелюминесцирующих азотных центров (А,В1) структурная модификация носит линейный характер по энергии излучения и слабосуперлинейный характер по экспозиции. Графитизация алмазов имеет наименьший порог для IaAB-типа, выше – для IaA-типа, еще выше – для IaB-алмаза, не происходит в выбранных режимах фс-лазерного облучения для IIa и Ib алмазов. Впервые установлено двухфотонное решеточное поглощение алмаза в двухфононной ИК-области оптических (2300-2700 см-1) и смешанных оптических/акустических (1500-2300 см-1) фононов при умеренных интенсивностях ИК-фс-лазерного облучения, многофотонное межзонное электронное поглощение при высоких интенсивностях ИК-фс-лазерного облучения. Механизм и Обнаружена структурная модификация основных фотолюминесцирующих и нелюминесцирующих азотных центров в синтетических и природных алмазах путем сильного фс-ИК лазерного возбуждения, по характеру напоминающая результат термического воздействия. В экспериментах с фс-лазерным облучением (до графитизации) природных алмазов с 3NVH-центром (3107 см-1) путем сильного резонансного фс-ИК лазерного поглощения показана его высокая структурная устойчивость, для объяснения начаты молекулярно-динамические атомистические суперкомпьютерные расчеты эволюции N3VH дефекта в алмазе при конечных температурах. Атомистические суперкомпьютерные расчеты методом молекулярной динамики в пакете LAMMPS с использованием современного машинно-обучаемого потенциала взаимодействия MTP3 по визуализации движения и структурной модификации в алмазе малых азотных примесных центров NV и N2V в присутствии высокой концентрации углеродных вакансий (1-3 вакансии на центр) показали, что скорость диффузии возрастает в присутствии большего числа вакансии в связи со снижением энергетического барьера до 3.9 эВ (по сравнению с 6.3 эВ для N и 4.9 эВ для NV). Реализована первоначальная амбициозная задача проекта – фемтосекундная лазерная микромаркировка алмаза внутри легкоплавкой твердотельной иммерсии, в качестве которой выступают халькогенидные стекла. Ранее, в 2021 году широкий круг этих стекол был изучен на предмет порогов повреждения фс-лазерным излучением со стандартной длиной волны 1030 и 515 нм в зависимости от плотности энергии и экспозиции, показавшие бесперспективность стекол как иммерсии для этих условий. Тем не менее, одно из них - халькогенидное стекло Ge7Sb93 использовалось нами в 2021 году для визуализации алмазов в твердотельной иммерсионной среде в среднем ИК-диапазоне. В 2024 году, наконец была продемонстрирована возможность фемтосекундной лазерной структурной микромодификации (микромаркировки) алмаза на длине волны 1.55 мкм через слой твердотельной иммерсионной среды из халькогенидного стекла Ge7Sb93. Был измерен коэффициент двухфотонного поглощения Ge7Sb93 на длине волны 1.55 мкм, который составил β2 = 0.09 см/ГВт, допускающий распространение интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в этом спектральном диапазоне через реалистично тонкие (<0.1-1 мм) слои иммерсии. Показано, что несмотря на нелинейное поглощение и оптическое повреждение в объеме иммерсионной среды, в объеме цветного алмаза удается записать фотолюминесцентные микрометки с повышенной концентрацией H3-центров и пониженной концентрацией NV-центров – в согласии с нашими результатами для записи без иммерсии. Результаты представляют практический интерес для использования при иммерсионной фс-лазерной микромаркировке алмазов. Отработан метод цифровой поляризационной голографической микроскопии анализа распределения амплитуды, фазы и поляризации излучения для квадрата, записанного фс-лазером (515 нм, 250 фс) в объеме образца красного синтетического алмаза, показан фазовый контраст в записанной области (без графитизации) с изотропным и однородным локальным изменением показателя преломления на уровне величины dn(633 нм) = 10^-4. Продемонстрирована перспективная возможность управляемого локального изменения показателя преломления в алмазе, что представляет большой интерес для лазерной записи алмазных фазовых элементов.

Публикации

12. Сцепуро Н., и др. Surface Depth-Mapping of Material via the Transport-of-Intensity Equation Photonics, 9, 11, 815 (год публикации - 2022)
10.3390/photonics9110815

Возможность практического использования результатов
Научно-технологические задачи проекта по усовершенствованию технологии объемной фотолюминесцентной микромаркировки алмазов и бриллиантов с использованием фемтосекундных лазеров в интересах ПАО АЛРОСА были успешно решены за 2021-2024 гг. (подтверждается Письмом и Актом о выполнении НИР 2024 г. для ПАО АЛРОСА), на базе этих исследований разработано техническое задание на НИОКР для модернизации фемтосекундного лазерного маркера и фотолюминесцентного сканера, используемых ПАО АЛРОСА для нанесения и считывания объемной фотолюминесцентной микромаркировки алмазов и бриллиантов.