JP2022165005A - Vacancy defect forming method, diamond producing method, and diamond - Google Patents

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靖彦 下間
Yasuhiko Shimoma
寅太郎 栗田
Torataro Kurita
清貴 三浦
Seiki Miura
憲和 水落
Norikazu Mizuochi
正規 藤原
Masanori Fujiwara
雅弘 清水
Masahiro Shimizu
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Abstract

To form high-density vacancy defects in diamond.SOLUTION: The present invention discloses a method for forming vacancy defects inside diamond, the method including the steps of: shaping a pulse wave form of laser having a transparent wavelength with respect to an absorption wavelength of diamond to compensate for temporal dispersion on a phase of pulse light of laser; and emitting the pulse light of laser subjected to dispersion compensation into the diamond plural times.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、ダイヤモンドに空孔欠陥を形成する方法、空孔欠陥を有するダイヤモンドの製造方法、および空孔欠陥が形成されたダイヤモンドに関する。 The present invention relates to a method of forming vacancy defects in diamond, a method of producing diamond having vacancy defects, and a diamond with vacancy defects formed therein.

ダイヤモンドは、その優れた光学的、電気的、熱的特性から、光学素子やエレクトロニクスデバイス等への応用が期待されている。特に近年、ダイヤモンド内部に存在するNVセンター(Nitrogen Vacancy center)と呼ばれている窒素-空孔中心が注目を集めている。NVセンターは、ダイヤモンド内部の窒素不純物とそれに隣接する空孔欠陥との対からなり、空孔に電子が捕獲された状態において、電子スピンと呼ばれる磁気的な性質を示す。NVセンター中の電子スピンは、室温下でも長いコヒーレンス時間を有し、そのスピン状態は室温下で制御および検出可能であることから、量子コンピューティングへの応用や、磁場、電場等の高感度量子センサー等としての応用が期待されている。 Due to its excellent optical, electrical, and thermal properties, diamond is expected to be applied to optical elements, electronic devices, and the like. Particularly in recent years, attention has been focused on nitrogen-vacancy centers called NV centers (nitrogen vacancy centers) existing inside diamond. The NV center consists of pairs of nitrogen impurities inside diamond and vacancy defects adjacent thereto, and exhibits a magnetic property called electron spin when electrons are trapped in the vacancies. The electron spin in the NV center has a long coherence time even at room temperature, and its spin state can be controlled and detected at room temperature. Applications such as sensors are expected.

ダイヤモンドにNVセンターを形成する従来の報告例としては、例えば下記非特許文献1および2が挙げられる。 Non-Patent Documents 1 and 2 listed below are examples of conventional reports on the formation of NV centers in diamond.

V. V. Kononenko, I. I. Vlasov, E. V. Zavedeev, A. A. Khomich, and V. I. Konov, “Correlation between surface etching and NV centre generation in laser-irradiated diamond”, Appl. Phys. A 124, 226 (2018). https://doi.org/10.1007/s00339-018-1646-xV. V. Kononenko, I. I. Vlasov, E. V. Zavedeev, A. A. Khomich, and V. I. Konov, “Correlation between surface etching and NV center generation in laser-irradiated diamond”, Appl. Phys. A 124, 226 (2018). https://doi. org/10.1007/s00339-018-1646-x V. V. Kononenko, I. I. Vlasov, V. M. Gololobov, T. V. Kononenko, T. A. Semenov, A. A. Khomich, V. A. Shershulin, V. S. Krivobok, and V. I. Konov, “Nitrogen-vacancy defects in diamond produced by femtosecond laser nanoablation technique”, Applied Physics Letters 111, 081101 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4993751V. V. Kononenko, I. I. Vlasov, V. M. Gololobov, T. V. Kononenko, T. A. Semenov, A. A. Khomich, V. A. Shershulin, V. S. Krivobok, and V. I. Konov, “Nitrogen-vacancy defects in diamond produced by femtosecond laser nanoablation technique”, Applied Physics Letters 111, 081101 ( 2017). https://doi.org/10.1063/1.4993751

量子コンピューティングへの応用には、多数のNVセンターの集まりであるアンサンブルNVセンターが重要である。アンサンブルNVセンターは、信号強度の増大による量子センサーの性能向上といった利点を有する。また、アンサンブルNVセンターが、異なる4つの配向を有するNVセンターの集合体である場合、そのようなアンサンブルNVセンターは、配向の違いによるゼーマン分裂幅の違いを利用して、磁場の3次元ベクトル成分を決定することが可能である等の利点を有する。 An ensemble NV center, which is a collection of many NV centers, is important for applications to quantum computing. Ensemble NV centers have advantages such as improved quantum sensor performance due to increased signal strength. Moreover, if an ensemble NV center is a collection of NV centers with four different orientations, such an ensemble NV center can utilize the difference in the Zeeman splitting width due to the difference in orientation to obtain the three-dimensional vector component of the magnetic field has the advantage of being able to determine

よって、量子センサーへの応用では、センサーの測定感度を向上させるために、ダイヤモンドに多数のNVセンター(アンサンブルNVセンター)を形成して、NVセンターの濃度を高めることが有効になる。しかしながら、レーザー照射により作製されたNVセンターについて、濃度に関する定量的な評価はこれまでなされておらず、量子センサーへ応用できる程度の、高い濃度(例えば、約1015cm-3~1016cm-3、もしくはそれ以上の濃度)のNVセンターの形成に関する報告はこれまでなされていない。ダイヤモンドのNVセンターを量子センサー等へ応用するために、量子センサー等へ応用できる程度の、高い濃度のNVセンターを形成する手法が求められている。 Therefore, in application to quantum sensors, it is effective to form a large number of NV centers (ensemble NV centers) in diamond to increase the concentration of NV centers in order to improve the measurement sensitivity of the sensor. However, the concentration of the NV center produced by laser irradiation has not been quantitatively evaluated so far. There have been no previous reports of the formation of NV centers at concentrations of 3 or higher. In order to apply NV centers of diamond to quantum sensors and the like, there is a demand for a method of forming NV centers with a concentration high enough to be applied to quantum sensors and the like.

本発明は、ダイヤモンドに高濃度の空孔欠陥を形成することを目的とする。 An object of the present invention is to form a high concentration of vacancy defects in diamond.

上記目的を達成するための本発明は、例えば以下に示す態様を含む。
(項1)
ダイヤモンドの内部に空孔欠陥を形成する方法であって、
前記ダイヤモンドの吸収波長に対して透明な波長を有するレーザーのパルス波形を整形して、前記レーザーのパルス光の位相に関する時間的な分散を補償するステップと、
前記分散を補償した前記レーザーの前記パルス光を、前記ダイヤモンドの内部に複数回集光照射するステップと、
を含む方法。
(項2)
前記ダイヤモンドの内部に集光照射する前記パルス光の数は、5×10以上である、項1に記載の方法。
(項3)
前記ダイヤモンドの内部に集光照射する前記パルス光の数は、2.5×10以上である、項2に記載の方法。
(項4)
前記レーザーのパルスエネルギーは、60nJないし200nJの範囲であり、
前記レーザーのパルス幅は40フェムト秒以下である、項1~3のいずれか一項に記載の方法。
(項5)
前記レーザーのパルスエネルギーは、150nJないし200nJの範囲である、項4に記載の方法。
(項6)
前記分散を補償するステップにおいて、前記パルス光に位相変調を行うことにより、第1の偏光成分からなる第1のサブパルス光と、前記第1の偏光成分に交差する第2の偏光成分からなる第2のサブパルス光との間に時間遅延を生じさせる、項1から5のいずれか一項に記載の方法。
(項7)
ダイヤモンドを準備するステップと、
項1~6のいずれかの方法により前記ダイヤモンドの内部に空孔欠陥を形成するステップと、
を含む、ダイヤモンドの製造方法。
(項8)
内部に形成されている空孔欠陥の濃度が1×1015cm-3以上であるダイヤモンド。
(項9)
前記空孔欠陥の濃度が3×1015cm-3以上である、項8に記載のダイヤモンド。
(項10)
前記空孔欠陥の濃度が1×1016cm-3以上である、項9に記載のダイヤモンド。
The present invention for achieving the above object includes, for example, the following aspects.
(Section 1)
A method for forming vacancy defects inside a diamond, comprising:
shaping a pulse waveform of a laser having a wavelength transparent to the absorption wavelength of the diamond to compensate for temporal dispersion in phase of the pulsed light of the laser;
a step of condensing and irradiating the pulsed light of the laser, the dispersion of which is compensated for, into the interior of the diamond a plurality of times;
method including.
(Section 2)
Item 2. The method according to item 1, wherein the number of the pulsed lights condensed and irradiated to the inside of the diamond is 5×10 7 or more.
(Section 3)
Item 3. The method according to Item 2, wherein the number of the pulsed lights condensed and irradiated to the inside of the diamond is 2.5×10 8 or more.
(Section 4)
the laser pulse energy is in the range of 60 nJ to 200 nJ;
Item 4. The method according to any one of Items 1 to 3, wherein the pulse width of the laser is 40 femtoseconds or less.
(Section 5)
5. The method of clause 4, wherein the laser pulse energy is in the range of 150 nJ to 200 nJ.
(Section 6)
In the step of compensating for dispersion, the pulsed light is phase-modulated to form a first sub-pulse light composed of a first polarization component and a second sub-pulse light composed of a second polarization component crossing the first polarization component. 6. The method according to any one of clauses 1 to 5, wherein a time delay is generated between the subpulse light of 2.
(Section 7)
preparing a diamond;
Forming vacancy defects inside the diamond by the method of any one of Items 1 to 6;
A method of making a diamond, comprising:
(Section 8)
A diamond in which the concentration of vacancy defects formed therein is 1×10 15 cm −3 or more.
(Section 9)
Item 9. The diamond according to Item 8, wherein the concentration of the vacancy defects is 3×10 15 cm −3 or more.
(Section 10)
Item 10. The diamond according to item 9, wherein the concentration of the vacancy defects is 1×10 16 cm −3 or more.

本発明によると、ダイヤモンドに高濃度の空孔欠陥を形成することができる。 According to the present invention, a high concentration of vacancy defects can be formed in diamond.

本発明の一実施形態に係る空孔欠陥形成方法を実行する際に用いる光学システムの模式的な構成を示す図である。It is a figure showing a typical composition of an optical system used when performing a vacancy defect formation method concerning one embodiment of the present invention. レーザーが出力するパルス光の時間波形の一例である。It is an example of a time waveform of pulsed light output by a laser. 図1に示すパルス整形器の模式的な構成を示す図である。2 is a diagram showing a schematic configuration of a pulse shaper shown in FIG. 1; FIG. パルス光の分散補償をパルス整形器に設定する際の模式的な構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration when setting dispersion compensation of pulsed light to a pulse shaper; 実施例に係る検証結果を説明するための図であり、パルス光の数に対するNVセンターの濃度の変化をパルスエネルギー毎に示すグラフである。FIG. 10 is a diagram for explaining the verification results according to the example, and is a graph showing changes in density of NV centers with respect to the number of pulsed lights for each pulse energy. 実施例に係る検証結果を説明するための図であり、(a)は横緩和時間Tの測定に用いる光検出磁気共鳴(ODMR)法に基づくハーンエコー法によるパルスシーケンスであり、(b)~(e)はハーンエコー法による測定信号である。FIG. 3 is a diagram for explaining verification results according to an example, where (a) is a pulse sequence by the Hahn echo method based on the optical detection magnetic resonance (ODMR) method used for measuring the transverse relaxation time T2, and ( b ) is a pulse sequence; ˜(e) are measured signals by the Hahn echo method.

以下、本発明の実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明および図面において、同じ符号は同じまたは類似の構成要素を示すこととし、よって、同じまたは類似の構成要素に関する重複した説明を省略する。 Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description and drawings, the same reference numerals denote the same or similar components, and redundant description of the same or similar components will be omitted.

本発明の第1の態様によると、ダイヤモンドの内部に空孔欠陥を形成する方法が提供される。一実施形態に係る方法は、
ダイヤモンドの吸収波長に対して透明な波長を有するレーザーのパルス波形を整形して、レーザーのパルス光の位相に関する時間的な分散を補償するステップと、
分散を補償したレーザーのパルス光を、ダイヤモンドの内部に複数回集光照射するステップと、
を含む。
According to a first aspect of the present invention, a method is provided for forming vacancy defects inside diamond. A method according to one embodiment comprises:
shaping a laser pulse waveform having a wavelength transparent to the absorption wavelength of diamond to compensate for temporal dispersion in phase of the pulsed light of the laser;
a step of concentrating and irradiating the inside of the diamond with pulsed light of a dispersion-compensated laser multiple times;
including.

一実施形態に係る方法では、ダイヤモンドの内部に集光照射するパルス光の数は、5×10以上である。好ましくは、ダイヤモンドの内部に集光照射するパルス光の数は、2.5×10以上である。 In the method according to one embodiment, the number of pulsed lights focused on the inside of the diamond is 5×10 7 or more. Preferably, the number of pulsed lights focused on the inside of the diamond is 2.5×10 8 or more.

一実施形態に係る方法では、レーザーのパルスエネルギーは、60nJないし200nJの範囲であり、レーザーのパルス幅は40フェムト秒以下である。より好ましくは、レーザーのパルスエネルギーは、150nJないし200nJの範囲である。 In one embodiment, the laser pulse energy is in the range of 60 nJ to 200 nJ and the laser pulse width is 40 femtoseconds or less. More preferably, the pulse energy of the laser ranges from 150 nJ to 200 nJ.

一実施形態に係る方法では、分散を補償するステップにおいて、パルス光に位相変調を行うことにより、第1の偏光成分からなる第1のサブパルス光と、第1の偏光成分に交差する第2の偏光成分からなる第2のサブパルス光との間に時間遅延を生じさせる。 In one embodiment, in the step of compensating for dispersion, the pulsed light is phase-modulated to form a first sub-pulse light having a first polarization component and a second sub-pulse light that crosses the first polarization component. A time delay is generated with the second sub-pulse light composed of polarized light components.

本発明の第2の態様によると、ダイヤモンドの製造方法が提供される。一実施形態に係る製造方法は、
ダイヤモンドを準備するステップと、
本発明の第1の態様により提供される方法によりダイヤモンドの内部に空孔欠陥を形成するステップと、
を含む。
According to a second aspect of the invention, a method of making diamond is provided. A manufacturing method according to one embodiment includes:
preparing a diamond;
forming vacancy defects inside diamond by the method provided by the first aspect of the present invention;
including.

本発明の第3の態様によると、ダイヤモンドが提供される。一実施形態に係るダイヤモンドは、内部に形成されている空孔欠陥の濃度が1×1015cm-3以上である。好ましくは、空孔欠陥の濃度が3×1015cm-3以上である。より好ましくは、空孔欠陥の濃度が1×1016cm-3以上である。 According to a third aspect of the invention, a diamond is provided. A diamond according to one embodiment has a concentration of vacancy defects formed therein of 1×10 15 cm −3 or more. Preferably, the concentration of vacancy defects is 3×10 15 cm −3 or more. More preferably, the concentration of vacancy defects is 1×10 16 cm −3 or more.

なお、本発明の後述する実施例では、ダイヤモンド試料に照射するパルス光の数を5×10~5×10に増大させてNVセンターを形成しても、形成されたNVセンターの横緩和時間Tは、約1.6±0.2マイクロ秒~約2.4±0.2マイクロ秒の範囲内で大きく変動することはなく、ダイヤモンドの黒鉛化は抑えられている。 In the examples of the present invention, which will be described later, even if the number of pulsed lights irradiated on the diamond sample was increased to 5×10 5 to 5×10 8 to form the NV centers, the lateral relaxation of the formed NV centers did not occur. Time T2 does not vary significantly within the range of about 1.6±0.2 microseconds to about 2.4±0.2 microseconds, and diamond graphitization is suppressed.

[光学システム]
図1は、本発明の一実施形態に係る空孔欠陥形成方法を実行する際に用いる光学システムの模式的な構成を示す図である。
[Optical system]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical system used when executing a vacancy defect formation method according to an embodiment of the present invention.

光学システム10は、試料9を改質するための光源として用いるレーザー1と、レーザー光のパルス波形を整形するパルス整形器2と、波形が整形されたパルス光を試料9の内部に集光照射する対物レンズ3とを主に備える。レーザー1から照射されるパルス光Lpは、パルス整形器2においてパルス波形が整形されてパルス幅が制御され、対物レンズ3により集光されて試料9の内部の所定の深さに照射される。試料9はレーザー光の照射により改質される。レーザー1から照射されるパルス光Lpの進行方向は、全反射ミラー4により適宜調節される。 The optical system 10 includes a laser 1 used as a light source for modifying the sample 9, a pulse shaper 2 for shaping the pulse waveform of the laser light, and condensed irradiation of the pulsed light with the shaped waveform inside the sample 9. It mainly includes an objective lens 3 for A pulsed light Lp emitted from a laser 1 is shaped into a pulse shape by a pulse shaper 2 to control the pulse width, condensed by an objective lens 3, and irradiated to a predetermined depth inside a sample 9. FIG. The sample 9 is modified by irradiation with laser light. The traveling direction of the pulsed light Lp emitted from the laser 1 is appropriately adjusted by the total reflection mirror 4 .

光学システム10は、改質された試料9を観察するための構成として、ダイクロイックミラー5と、アバランシェ型のフォトダイオード等の光検出器6とをさらに備えることができる。レーザー1から出力されるパルス光Lpをパルス整形器2を通じて試料9に照射する光学系と、試料9からの反射光を光検出器6を通じて観察する光学系とは、共焦点光学系となっている。このような光学システム10は、例えば共焦点蛍光顕微鏡を用いて構成することができる。なお、光学システム10は、試料9の内部を改質する際には、ダイクロイックミラー5および光検出器6を備える必要はなく、共焦点光学系を構成する必要もない。 The optical system 10 can further comprise a dichroic mirror 5 and a photodetector 6 such as an avalanche photodiode as a configuration for observing the modified sample 9 . The optical system for irradiating the sample 9 with the pulsed light Lp output from the laser 1 through the pulse shaper 2 and the optical system for observing the reflected light from the sample 9 through the photodetector 6 form a confocal optical system. there is Such an optical system 10 can be constructed using, for example, a confocal fluorescence microscope. It should be noted that the optical system 10 need not include the dichroic mirror 5 and the photodetector 6 when modifying the inside of the sample 9, and need not constitute a confocal optical system.

図2は、レーザーが出力するパルス光Lpの時間波形の一例であり、強度自己相関波形の一例である。図2の縦軸は、規格化された光強度を示す。本明細書中の以下の説明において特に言及しない限り、パルス幅は、パルス整形器2による時間波形整形後の値であり、
パルス幅=強度自己相関波形の半値全幅(FWHM: full width at half maximum)/1.5426
で算出した値を意味する。なお、パルスの波形はsech型であると仮定している。
FIG. 2 is an example of the time waveform of the pulsed light Lp output by the laser, and an example of the intensity autocorrelation waveform. The vertical axis in FIG. 2 indicates the normalized light intensity. Unless otherwise specified in the description below in this specification, the pulse width is a value after time waveform shaping by the pulse shaper 2,
Pulse width = full width at half maximum (FWHM) of intensity autocorrelation waveform/1.5426
Means the value calculated by It is assumed that the waveform of the pulse is sech 2 type.

試料9には、本実施形態では合成ダイヤモンドを用いる。本実施形態では、試料9は、窒素不純物の濃度が高い例えばIb型のHPHT単結晶合成ダイヤモンドであり、例示的には、試料9に用いる合成ダイヤモンドの窒素濃度は約33ppmである。試料9は3軸ステージ(図示せず)上に載置されており、試料9上にレーザー光を照射する領域(X-Y平面)と、レーザー光の照射軸に沿った試料9の位置(Z軸)とが調節可能である。試料9へのレーザー光の照射は、大気中で室温下にて行うことができる。例示的に、室温は、約15℃ないし25℃の常温の範囲を含む約1℃ないし30℃の温度範囲を意味するが、これら温度範囲に限定されるものではない。 Synthetic diamond is used for sample 9 in this embodiment. In this embodiment, the sample 9 is, for example, a type Ib HPHT single crystal synthetic diamond having a high concentration of nitrogen impurities, and illustratively, the nitrogen concentration of the synthetic diamond used for the sample 9 is about 33 ppm. The sample 9 is placed on a three-axis stage (not shown), and the area (XY plane) on which the sample 9 is irradiated with the laser light and the position of the sample 9 along the irradiation axis of the laser light ( Z axis) are adjustable. The irradiation of the sample 9 with laser light can be performed in the atmosphere at room temperature. Illustratively, room temperature means a temperature range of about 1°C to 30°C, including a normal temperature range of about 15°C to 25°C, but is not limited to these temperature ranges.

レーザー1は、フェムト秒の時間的なオーダーを有するパルス幅でパルス光Lpを出力する。レーザー1が出力するパルス光Lpは、試料9の吸収波長に対して透明な波長を有している。これにより、レーザー1は、非線形吸収によってレーザーの集光点の近傍において試料9の改質を生じさせて、試料9の深さ方向も含めた空間選択的な位置制御を可能としている。試料9の吸収波長に対してパルス光Lpが透明な波長を有するとは、パルス光Lpの波長帯域が、試料9にパルス光Lpを照射しても、試料9の吸収スペクトルにおいてスペクトル線が現れないような波長帯域であることを意味する。試料9に照射されるパルス光Lpのエネルギーは、試料9の結晶格子により非線形に吸収される。本実施形態では、パルス光Lpは直線偏光しており、レーザー1には、中心波長が約800nmのパルス光を出力する再生増幅型のチタンサファイアレーザーを用いている。 The laser 1 outputs pulsed light Lp with a pulse width on the order of femtoseconds. The pulsed light Lp output by the laser 1 has a transparent wavelength with respect to the absorption wavelength of the sample 9 . As a result, the laser 1 modifies the sample 9 in the vicinity of the focal point of the laser by nonlinear absorption, enabling spatially selective position control of the sample 9 including the depth direction. The fact that the pulsed light Lp has a transparent wavelength with respect to the absorption wavelength of the sample 9 means that even if the sample 9 is irradiated with the pulsed light Lp, spectral lines appear in the absorption spectrum of the sample 9 in the wavelength band of the pulsed light Lp. It means that it is a wavelength band that does not exist. The energy of the pulsed light Lp with which the sample 9 is irradiated is nonlinearly absorbed by the crystal lattice of the sample 9 . In this embodiment, the pulsed light Lp is linearly polarized, and the laser 1 is a regenerative amplification titanium sapphire laser that outputs pulsed light with a center wavelength of about 800 nm.

本実施形態では、レーザーのパルスエネルギーは、好ましくは約60nJないし200nJの範囲であり、パルス幅は約40フェムト秒である。後述するように、レーザーのパルス幅はパルス整形器2により整形することができ、例示するこの約40フェムト秒のパルス幅は、パルス整形器2による時間波形整形後の値である。本実施形態では、パルス光を出力する際の繰り返し周波数は約250kHzである。 In this embodiment, the laser pulse energy is preferably in the range of about 60 nJ to 200 nJ and the pulse width is about 40 femtoseconds. As will be described later, the pulse width of the laser can be shaped by the pulse shaper 2, and this pulse width of about 40 femtoseconds in the example is the value after temporal waveform shaping by the pulse shaper 2. FIG. In this embodiment, the repetition frequency for outputting pulsed light is approximately 250 kHz.

本実施形態では、レーザー光を従来(例えば約1秒間)よりも長い時間で試料9に照射する。レーザー光を試料9に照射する時間は、約2秒間ないし約5000秒間である。すなわち本実施形態では、レーザー1は、約5×10個ないし約1.25×10個の複数個のパルス光Lpを出力している。 In this embodiment, the sample 9 is irradiated with laser light for a longer time than conventional (for example, about 1 second). The time for irradiating the sample 9 with laser light is from about 2 seconds to about 5000 seconds. That is, in this embodiment, the laser 1 outputs a plurality of pulsed lights Lp of about 5×10 5 to about 1.25×10 9 .

パルス整形器2は、レーザー光のパルス波形を整形してパルス幅を制御する。パルス光の位相φはテイラー展開により多項式による近似をすることができる。

Figure 2022165005000002
(式1)に示す多項式中、パルスの波形に寄与する項は二次関数以上の項である。よって、(式1)中のaの値を変更することにより、パルス幅を制御することができる。パルス整形器2は、後述する空間光変調器27と回折格子による分散素子25とにより、(式1)に記載されている二次の位相の項を制御することによって、照射レーザーパルスの時間波形を変化させて、パルス幅を調整する。パルス整形器2は、レーザーのパルス幅を約40フェムト秒以下に整形することができる。 A pulse shaper 2 shapes the pulse waveform of the laser light to control the pulse width. The phase φ of the pulsed light can be approximated by a polynomial by Taylor expansion.
Figure 2022165005000002
In the polynomial shown in (Equation 1), terms that contribute to the waveform of the pulse are quadratic or higher terms. Therefore, the pulse width can be controlled by changing the value of a2 in (Equation 1). The pulse shaper 2 controls the second-order phase term described in (Equation 1) by means of a spatial light modulator 27 and a dispersive element 25 consisting of a diffraction grating, which will be described later, so that the time waveform of the irradiation laser pulse is to adjust the pulse width. A pulse shaper 2 can shape the pulse width of the laser to about 40 femtoseconds or less.

対物レンズ3は、時間波形整形後のパルス光を試料9の内部に集光照射する。本実施形態では、対物レンズ3は約50倍(開口数NA=0.80)の倍率を有し、試料9の表面から約15μmの深さに焦点を結ぶ。 The objective lens 3 collects and irradiates the inside of the sample 9 with the pulsed light after the time waveform shaping. In this embodiment, the objective lens 3 has a magnification of about 50 (numerical aperture NA=0.80) and focuses to a depth of about 15 μm from the surface of the sample 9 .

[パルス整形器および分散補償]
・パルス整形器 図3は、図1に示すパルス整形器の模式的な構成を示す図である。パルス整形器2は、偏光制御部21と、ミラー22,23,24と、分散素子25と、集光素子26と、空間光変調器27(Spatial Light Modulator: SLM)とを備える。パルス整形器2は、入力されたパルス光Lpを分散素子25および空間光変調器27の順に通過させることにより、パルス光Lpの位相を波長毎に変調する。
[Pulse shaper and dispersion compensation]
• Pulse Shaper FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of the pulse shaper shown in FIG. The pulse shaper 2 includes a polarization controller 21, mirrors 22, 23, 24, a dispersive element 25, a condensing element 26, and a spatial light modulator (SLM) 27. FIG. The pulse shaper 2 modulates the phase of the pulsed light Lp for each wavelength by passing the input pulsed light Lp through the dispersive element 25 and the spatial light modulator 27 in that order.

パルス整形器2は、レーザー1から出力されるパルス光Lpに位相変調を行うことにより、第1の偏光成分からなる第1のサブパルス光と、第1の偏光成分に交差する第2の偏光成分からなる第2のサブパルス光との間に、時間遅延を生じさせる。 The pulse shaper 2 phase-modulates the pulsed light Lp output from the laser 1 to produce a first sub-pulse light composed of a first polarization component and a second polarization component crossing the first polarization component. A time delay is generated between the second sub-pulse light consisting of

偏光制御部21は、レーザー1と光学的に結合され、入力されたパルス光Lpの偏光面を回転させる光学素子である。偏光制御部21は、例えばλ/2板等の波長板や偏光素子等によって構成されている。これにより、パルス光Lpは、第1の偏光方向に沿った第1の偏光成分と、第1の偏光方向に交差する第2の偏光方向に沿った第2の偏光成分とを含む。一実施形態では、第1の偏光方向と第2の偏光方向とは直交する。 The polarization controller 21 is an optical element that is optically coupled to the laser 1 and rotates the plane of polarization of the input pulsed light Lp. The polarization control unit 21 is composed of a wavelength plate such as a λ/2 plate, a polarizing element, and the like. Thereby, the pulsed light Lp includes a first polarization component along the first polarization direction and a second polarization component along a second polarization direction that intersects the first polarization direction. In one embodiment, the first polarization direction and the second polarization direction are orthogonal.

ミラー22,23,24は、入力されたパルス光Lpの進行方向を分散素子25に向ける光学素子である。ミラー22,23,24は例えば全反射ミラーによって構成されている。ミラー22,23,24は、分散素子25との相対的な位置関係によっては省略することができる。 The mirrors 22 , 23 , 24 are optical elements that direct the traveling direction of the input pulsed light Lp toward the dispersive element 25 . The mirrors 22, 23, 24 are composed of total reflection mirrors, for example. Mirrors 22 , 23 , 24 can be omitted depending on the relative positional relationship with dispersive element 25 .

分散素子25は、パルス光Lpを波長毎に分散する光学素子である。分散素子25は、例えば回折格子またはプリズムによって構成されている。回折格子では波長毎に回折角が異なるので、広い帯域の波長成分を有するパルス光Lpが回折格子に入射すると、各波長成分は互いに異なる方向に回折される。 The dispersion element 25 is an optical element that disperses the pulsed light Lp for each wavelength. Dispersive element 25 is composed of, for example, a diffraction grating or a prism. Since the diffraction grating has a different diffraction angle for each wavelength, when the pulsed light Lp having wavelength components in a wide band is incident on the diffraction grating, the wavelength components are diffracted in different directions.

集光素子26は、分散素子25から拡がりながら出力されるパルス光Lpの各波長成分を、空間光変調器27上の異なる位置に集光させる光学素子である。集光素子26は、例えばシリンドリカルレンズによって構成されている。集光素子26は、分散素子25による波長の分散方向を含む平面内において屈折力(レンズパワー)を有し、波長の分散方向に垂直な平面内においては屈折力を有していない。 The condensing element 26 is an optical element that converges each wavelength component of the pulsed light Lp output from the dispersive element 25 while spreading to different positions on the spatial light modulator 27 . The condensing element 26 is configured by, for example, a cylindrical lens. The condensing element 26 has refractive power (lens power) in a plane including the direction of wavelength dispersion by the dispersion element 25, and does not have refractive power in a plane perpendicular to the direction of wavelength dispersion.

空間光変調器27は、位相変調型の空間光変調器であって、分散素子25による分散後のパルス光Lpを波長毎に変調する。本実施形態では、空間光変調器27は、液晶型(Liquid Crystal on Silicon: LCOS)の空間光変調器によって構成されている。空間光変調器27の変調面は、複数の波長成分のそれぞれに対応する複数の変調領域を含んでおり、これら変調領域は、分散素子25による波長の分散方向に並んでいる。パルス光Lpの各波長成分は、対応する変調領域に入力されると、その変調領域が有する変調パターンに応じてそれぞれ独立に変調される。 The spatial light modulator 27 is a phase modulation type spatial light modulator, and modulates the pulsed light Lp dispersed by the dispersive element 25 for each wavelength. In this embodiment, the spatial light modulator 27 is configured by a liquid crystal type (Liquid Crystal on Silicon: LCOS) spatial light modulator. The modulation surface of the spatial light modulator 27 includes a plurality of modulation regions corresponding to each of a plurality of wavelength components, and these modulation regions are arranged in the wavelength dispersion direction of the dispersive element 25 . When each wavelength component of the pulsed light Lp is input to the corresponding modulation area, it is modulated independently according to the modulation pattern of that modulation area.

空間光変調器27に入力されるパルス光Lpは、偏光制御部21によって偏光面が回転された結果、空間光変調器27が変調作用を提供する偏光方向に対して回転する。これにより、パルス光Lpの偏光成分のうち、空間光変調器27が変調作用を提供する偏光方向に沿った偏光成分は、空間光変調器27により変調され、時間波形が変化する。 The pulsed light Lp input to the spatial light modulator 27 is rotated with respect to the polarization direction in which the spatial light modulator 27 provides modulation as a result of the rotation of the polarization plane by the polarization controller 21 . As a result, among the polarization components of the pulsed light Lp, the polarization component along the polarization direction for which the spatial light modulator 27 provides modulation is modulated by the spatial light modulator 27, and the temporal waveform changes.

・分散補償
図4は、パルス光の分散補償をパルス整形器に設定する際の模式的な構成を示す図である。
Dispersion Compensation FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration when setting dispersion compensation of pulsed light to a pulse shaper.

図4に示すように、パルス光の分散補償をパルス整形器に設定する際には、図1に示す光学システムのレーザー1およびパルス整形器2を含む光学系の後段に、集光光学系81と、波長変換素子82と、分光器83とを光学的に結合する。パルス光の分散補償は、制御ユニット84によりパルス整形器2に設定する。 As shown in FIG. 4, when setting dispersion compensation of pulsed light to the pulse shaper, a condensing optical system 81 is installed after the optical system including the laser 1 and the pulse shaper 2 in the optical system shown in FIG. , the wavelength conversion element 82 and the spectroscope 83 are optically coupled. Dispersion compensation of pulsed light is set in the pulse shaper 2 by the control unit 84 .

集光光学系81は、空間光変調器27と波長変換素子82との間に設けられ、波長変換素子82に向けてパルス光Lpを集光する。 The condensing optical system 81 is provided between the spatial light modulator 27 and the wavelength conversion element 82 and converges the pulsed light Lp toward the wavelength conversion element 82 .

波長変換素子82は、パルス光Lpの位相に応じて、放射される光の強度スペクトルが変化する。波長変換素子82には、例えば、GaAs、GaP、ZnTe、KDP、BBO、BIBO、LiNbO、KTP、LBO、またはCLBO等の非線形光学結晶を用いることができる。波長変換素子82からは、例えば第二次高調波、第三次高調波、および高次高調波等の数種類の光が放射される。なお、波長変換素子82から放射されるこれら数種類の光は、波長フィルタによって分離することができる。 The wavelength conversion element 82 changes the intensity spectrum of the emitted light according to the phase of the pulsed light Lp. A nonlinear optical crystal such as GaAs, GaP, ZnTe, KDP, BBO, BIBO, LiNbO 3 , KTP, LBO, or CLBO can be used for the wavelength conversion element 82 . Several types of light are emitted from the wavelength conversion element 82, such as second harmonic, third harmonic, and higher harmonic waves. These several types of light emitted from the wavelength conversion element 82 can be separated by a wavelength filter.

分光器83は、パルス光Lpを波長変換素子82に照射することにより波長変換素子82から放射される光の強度スペクトルを検出する。検出した光の強度スペクトルは、検出信号として制御ユニット84に出力する。 The spectroscope 83 detects the intensity spectrum of the light emitted from the wavelength conversion element 82 by irradiating the wavelength conversion element 82 with the pulsed light Lp. The intensity spectrum of the detected light is output to control unit 84 as a detection signal.

制御ユニット84は、分光器83から出力される検出信号に基づいて、偏光制御部21および空間光変調器27を制御する。制御ユニット84は、例えば汎用コンピュータやパーソナルコンピュータ(PC)等の演算装置である。制御ユニット84は、偏光制御部21における偏光面の回転角を制御することにより、パルス光Lpの偏光方向を変更する。また、制御ユニット84は、空間光変調器27の位相パターンを制御することにより、パルス光Lpの時間波形を変更する。 The control unit 84 controls the polarization controller 21 and the spatial light modulator 27 based on the detection signal output from the spectroscope 83 . The control unit 84 is, for example, a computing device such as a general-purpose computer or a personal computer (PC). The control unit 84 changes the polarization direction of the pulsed light Lp by controlling the rotation angle of the plane of polarization in the polarization control section 21 . Also, the control unit 84 changes the temporal waveform of the pulsed light Lp by controlling the phase pattern of the spatial light modulator 27 .

本実施形態では、パルス整形器2は、MIIPS(Multiphoton Intrapulse Interference Phase Scan)法に基づいて、パルス光の位相に関する時間的な分散を制御し補償する。これにより、レーザー1から照射されるパルス光の位相を揃えて、レーザーのパルス幅がさらに短縮されたフーリエ変換限界パルスを生成する。 In this embodiment, the pulse shaper 2 controls and compensates for the temporal dispersion regarding the phase of pulsed light based on the MIIPS (Multiphoton Intrapulse Interference Phase Scan) method. As a result, the phases of the pulsed light emitted from the laser 1 are aligned to generate a Fourier transform limit pulse with a further shortened laser pulse width.

MIIPS法では、パルス光Lpを非線形光学結晶等の波長変換素子82に通すことにより、パルス光Lpの第二次高調波(second harmonics)を発生させて、その位相分散を分光器83により計測する。パルス整形器2は、分光器83により計測されたその位相分散を補償することにより、フーリエ変換限界パルスを生成する。本実施形態では、パルス整形器2は、例えば第二次高調波の強度が最大となるようにパルス光Lpの位相を変調させることにより、位相分散を補償し、パルス光Lpの位相を整合させる。 In the MIIPS method, the pulsed light Lp is passed through a wavelength conversion element 82 such as a nonlinear optical crystal to generate second harmonics of the pulsed light Lp, and the phase dispersion is measured by a spectroscope 83. . Pulse shaper 2 generates a Fourier transform-limited pulse by compensating for its phase dispersion measured by spectrometer 83 . In this embodiment, the pulse shaper 2 compensates for phase dispersion and matches the phase of the pulsed light Lp by modulating the phase of the pulsed light Lp such that the intensity of the second harmonic is maximized. .

なお、図4に示す、波長変換素子82、分光器83および制御ユニット84を用いた位相分散の測定と、パルス整形器2に対する分散補償の設定とは、図1に示す光学システム10を構成する前に一度行っておけば十分である。 The measurement of phase dispersion using the wavelength conversion element 82, the spectroscope 83, and the control unit 84 and the setting of dispersion compensation for the pulse shaper 2 shown in FIG. 4 constitute the optical system 10 shown in FIG. It is enough to go once before.

以下に本発明の実施例を示し、本発明の特徴をより明確にする。 Examples of the present invention are shown below to further clarify the features of the present invention.

本実施例では、本発明の上記した実施形態に係る光学システムを、共焦点蛍光顕微鏡を用いて構成した。上記した実施形態に記載した波長変換素子、分光器および制御ユニットを用いて位相分散の測定を行い、MIIPS法に基づいてフーリエ変換限界パルスを生成するように、パルス整形器に対する分散補償の設定を行った。分散補償の設定を施したパルス整形器を備える光学システムを用いて、レーザーのパルス光をダイヤモンドに照射して、ダイヤモンドの内部にNVセンターを形成した。 In this example, the optical system according to the above-described embodiments of the present invention was configured using a confocal fluorescence microscope. Phase dispersion is measured using the wavelength conversion element, spectroscope and control unit described in the above embodiments, and dispersion compensation is set for the pulse shaper so as to generate Fourier transform limited pulses based on the MIIPS method. gone. An optical system with a pulse shaper with dispersion compensation settings was used to irradiate the diamond with pulsed light from the laser to form NV centers inside the diamond.

本実施例では、本発明の上記した実施形態に係る空孔欠陥形成方法により、ダイヤモンドの内部にNVセンターを形成した。NVセンターの形成は、レーザー光の照射時間およびパルスエネルギーの様々な組み合わせで行った。NVセンターの濃度は、NVセンターから放射される蛍光の強度の測定値から推定した。NVセンターから放射される蛍光の強度は、フォトダイオードを用いて測定した。 In this example, NV centers were formed inside diamond by the method of forming vacancy defects according to the above-described embodiments of the present invention. The formation of NV centers was performed with various combinations of laser irradiation time and pulse energy. The concentration of NV centers was estimated from measurements of the intensity of fluorescence emitted from NV centers. The intensity of fluorescence emitted from NV centers was measured using a photodiode.

本実施例では、2つの事項について検証を行った。検証その1では、形成したNVセンターについて、濃度が従来の報告よりも向上しているか否かを検証した。検証その2では、形成したNVセンターについて、ダイヤモンドが黒鉛化しているか否かを検証した。 In this example, two items were verified. In verification 1, it was verified whether or not the concentration of the formed NV center was improved as compared with the conventional reports. In verification 2, it was verified whether diamond was graphitized in the formed NV center.

<検証その1>
NVセンターの濃度について、本実施例に係る空孔欠陥形成方法によりダイヤモンドの内部に形成したNVセンターと、比較例である従来の報告においてダイヤモンドの表面または内部に形成されているNVセンターとの間で比較を行った。比較結果のグラフを図5に示す。
<Verification 1>
Regarding the concentration of NV centers, the difference between the NV centers formed inside the diamond by the vacancy defect forming method according to this example and the NV centers formed on the surface or inside the diamond in the conventional report as a comparative example. made a comparison. A graph of the comparison results is shown in FIG.

比較例に係る濃度は、従来の報告に記載されている蛍光強度の値に基づいて推定した。比較例に係る濃度を推定するうえで、報告に記載されていない条件および値については、条件および値を仮定した。比較例として挙げる従来の報告は、上記した非特許文献1および2の2つとした。なお以下の説明において、1ppm=1.76×1017cm-3である。 Concentrations in comparative examples were estimated based on fluorescence intensity values described in previous reports. In estimating the concentrations of the comparative examples, conditions and values not described in the report were assumed. Two conventional reports cited as comparative examples are Non-Patent Documents 1 and 2 described above. Note that 1 ppm=1.76×10 17 cm −3 in the following description.

・比較例1
比較例1として、非特許文献1に報告されている蛍光強度の最大値である約2.3(パルス光数約1.68×10)を用いて、NVセンターの濃度の推定値7.2×1014cm-3を得た。非特許文献1では、NVセンターは、表面アブレーションにより表面に形成されている。
・Comparative example 1
As Comparative Example 1, the maximum value of fluorescence intensity reported in Non-Patent Document 1, which is about 2.3 (the number of pulsed lights is about 1.68×10 7 ), was used to estimate the density of the NV center at 7.5. 2×10 14 cm −3 was obtained. In Non-Patent Document 1, NV centers are formed on the surface by surface ablation.

非特許文献1について、NVセンターの濃度は次のように推定した。
ダイヤモンド試料の窒素濃度:0.5ppm(270nmの吸収係数から算出)
パルス光未照射部の蛍光強度(Original PL signal):約0.28
蛍光強度の最大値:約2.3(パルス光の数約1.68×10
パルス光未照射部のNV濃度がダイヤモンド試料の窒素濃度に対して0.1%であると仮定すると、パルス光照射部の最大濃度は、7.2×1014cm-3と推定された。
For Non-Patent Document 1, the concentration of NV centers was estimated as follows.
Nitrogen concentration of diamond sample: 0.5 ppm (calculated from absorption coefficient at 270 nm)
Fluorescence intensity (original PL signal) of non-irradiated portion of pulsed light: about 0.28
Maximum fluorescence intensity: about 2.3 (number of pulsed lights about 1.68×10 7 )
Assuming that the NV concentration in the portion not irradiated with pulsed light was 0.1% with respect to the nitrogen concentration in the diamond sample, the maximum concentration in the portion irradiated with pulsed light was estimated to be 7.2×10 14 cm −3 .

・比較例2
比較例2として、非特許文献2に報告されている蛍光強度の最大値である約0.87(パルス光数約8.39×10)を用いて、NVセンターの濃度の推定値5.4×1014cm-3を得た。非特許文献2では、NVセンターは、表面アブレーションにより表面に形成されている。
・Comparative example 2
As Comparative Example 2, the maximum value of fluorescence intensity reported in Non-Patent Document 2, approximately 0.87 (the number of pulsed light is approximately 8.39×10 4 ), was used to estimate the concentration of the NV center at 5.5. 4×10 14 cm −3 was obtained. In Non-Patent Document 2, NV centers are formed on the surface by surface ablation.

非特許文献2について、NVセンターの濃度は次のように推定した。
ダイヤモンド試料の窒素濃度:0.5ppm(270nmの吸収係数から算出)
パルス光未照射部の蛍光強度(Original PL signal):約0.14
蛍光強度の最大値:約0.87(パルス光の数約8.39×10
パルス光未照射部のNV濃度がダイヤモンド試料の窒素濃度に対して0.1%であると仮定すると、パルス光照射部の最大濃度は、5.4×1014cm-3と推定された。
Regarding non-patent document 2, the concentration of NV centers was estimated as follows.
Nitrogen concentration of diamond sample: 0.5 ppm (calculated from absorption coefficient at 270 nm)
Fluorescence intensity (Original PL signal) of non-irradiated portion of pulsed light: about 0.14
Maximum value of fluorescence intensity: about 0.87 (number of pulsed lights about 8.39×10 4 )
Assuming that the NV concentration in the pulsed light unirradiated portion was 0.1% with respect to the nitrogen concentration in the diamond sample, the maximum concentration in the pulsed light irradiated portion was estimated to be 5.4×10 14 cm −3 .

図5は、実施例に係る検証結果を説明するための図であり、パルス光の数に対するNVセンターの濃度の変化をパルスエネルギー毎に示すグラフである。異なる4種類の記号を用いて図中にプロットする4種類の折れ線グラフのデータは、本実施例に係る空孔欠陥形成方法によりダイヤモンドの内部に形成したNVセンターの濃度の測定値である。異なる2種類の囲み記号を用いて図中にプロットするデータは、比較例に係るNVセンターの濃度の推定値である。 FIG. 5 is a diagram for explaining the verification results according to the example, and is a graph showing changes in density of NV centers with respect to the number of pulsed lights for each pulse energy. The data of the four types of line graphs plotted in the figure using four different types of symbols are the measured values of the concentration of the NV centers formed inside the diamond by the vacancy defect formation method according to this example. The data plotted in the figure using two different enclosing symbols are estimated values of the concentration of the NV center according to the comparative example.

NVセンターの濃度について比較した図5に示すグラフに基づいて、高い濃度のNVセンターを形成するための、レーザー光の照射時間およびパルスエネルギーの条件について検討した。形成目標とするNVセンターの濃度は、量子センサーにおいて高感度化が期待できる濃度である、約1015cm-3~1016cm-3とした。 Based on the graph shown in FIG. 5, which compares the concentrations of the NV centers, the laser light irradiation time and pulse energy conditions for forming high-concentration NV centers were examined. The concentration of the NV center targeted for formation was set to about 10 15 cm −3 to 10 16 cm −3 , which is the concentration that can be expected to increase the sensitivity of the quantum sensor.

まず、本実施例に係る測定結果の概要について報告する。本実施例では、ダイヤモンド試料に照射するパルス光の数を増大させてゆくと、NVセンターの濃度は最初増加し、その後飽和または僅かに減少した。その後、照射するパルス光の数を増大させて測定データを取得し、パルス光の数が約2.5×10個~約5×10個の測定点において、NVセンターの濃度は約3~4×1015cm-3から再び増加した。さらに照射するパルス光の数を増大させて測定データを取得し、本実施例では、最終的には、約5×10個のパルス光をダイヤモンド試料に照射することにより、NVセンターの濃度の最大値約3×1016cm-3が得られた。NVセンターは、ダイヤモンド試料にレーザーのパルス光を照射した後にダイヤモンドをアニーリングすることなく形成されていた。 First, an overview of the measurement results according to this example will be reported. In this example, as the number of pulses of light applied to the diamond sample increased, the concentration of NV centers initially increased and then saturated or slightly decreased. After that, the number of pulsed lights to be irradiated was increased to obtain measurement data. It increased again from ∼4×10 15 cm −3 . Further, the number of pulsed lights to be irradiated was increased to obtain measurement data. A maximum value of about 3×10 16 cm −3 was obtained. The NV centers were formed without annealing the diamond after irradiating the diamond sample with laser pulse light.

なお、この測定結果において、パルス光の数の増加に伴いNVセンターの濃度が飽和または減少するという挙動は、NVセンターの形成と消滅とが競合するという観点から解釈することが可能であると推察された。 In this measurement result, it is speculated that the behavior that the concentration of the NV center saturates or decreases with an increase in the number of pulsed lights can be interpreted from the viewpoint of competition between the formation and disappearance of the NV center. was done.

本実施例に係るNVセンターの濃度の測定結果と、比較例1および2に係るNVセンターの濃度の推定値との比較を行った。考察結果は次の通りであった。 The measurement result of the concentration of the NV center according to the present example and the estimated value of the concentration of the NV center according to Comparative Examples 1 and 2 were compared. The results of the study were as follows.

本実施例によると、ダイヤモンド試料に約60nJのパルスエネルギーで約2.5×10個のパルス光を照射することにより、NVセンターの濃度が約1×1015cm-3であるダイヤモンドが得られた。得られた濃度の値は、比較例1および2に示すNVセンターの濃度のどの推定値よりも高い濃度であり、量子センサーにおいて高感度化が期待できる濃度の目標値の下限である約1015を達成していた。なお、パルスエネルギーが約100nJ、約150nJおよび約200nJの場合は、約1.25×10個のパルス光を照射することにより、NVセンターの濃度が約1×1015cm-3以上であるダイヤモンドが得られた。 According to this example, a diamond sample having a NV center concentration of about 1×10 15 cm −3 was obtained by irradiating a diamond sample with about 2.5×10 6 light pulses at a pulse energy of about 60 nJ. was taken. The concentration value obtained is higher than any estimated value of the concentration of the NV center shown in Comparative Examples 1 and 2, and is about 10 15 which is the lower limit of the target value of the concentration at which high sensitivity can be expected in the quantum sensor. had achieved When the pulse energy is about 100 nJ, about 150 nJ, and about 200 nJ, the NV center concentration is about 1×10 15 cm −3 or more by irradiating about 1.25×10 6 pulsed light. got a diamond.

本実施例によると、ダイヤモンド試料に約5×10個のパルス光を照射することにより、NVセンターの濃度が約3×1015cm-3以上であるダイヤモンドが得られた。このNVセンターの濃度はどのパルスエネルギーにおいても得られた。得られた濃度の値は、一旦飽和したNVセンターの濃度が再び増加に転じた際の濃度であった。このパルス光の照射数は、比較例1および2のどちらにおいても達成されていないパルス光の照射数であった。得られた濃度の値は、比較例1および2に示すNVセンターの濃度のどの推定値よりも高い濃度であり、量子センサーにおいて高感度化が期待できる濃度の目標値の下限である約1015を達成していた。 According to this example, by irradiating a diamond sample with about 5×10 7 pulsed light, a diamond having an NV center concentration of about 3×10 15 cm −3 or higher was obtained. This concentration of NV centers was obtained at any pulse energy. The obtained concentration value was the concentration when the once saturated NV center concentration began to increase again. This number of pulsed light irradiations was the number of pulsed light irradiations that was not achieved in either of Comparative Examples 1 and 2. The concentration value obtained is higher than any estimated value of the concentration of the NV center shown in Comparative Examples 1 and 2, and is about 10 15 which is the lower limit of the target value of the concentration at which high sensitivity can be expected in the quantum sensor. had achieved

本実施例によると、ダイヤモンド試料に約2.5×10個のパルス光を照射することにより、NVセンターの濃度が約1×1016cm-3以上であるダイヤモンドが得られた。このNVセンターの濃度はどのパルスエネルギーにおいても得られた。このパルス光の照射数は、比較例1および2のどちらにおいても達成されていないパルス光の照射数であった。得られた濃度の値は、比較例1および2に示すNVセンターの濃度のどの推定値よりも高い濃度であり、量子センサーにおいて高感度化が期待できる濃度の目標値である約1016を達成していた。 According to this example, by irradiating a diamond sample with about 2.5×10 8 pulsed light, a diamond having an NV center concentration of about 1×10 16 cm −3 or more was obtained. This concentration of NV centers was obtained at any pulse energy. This number of pulsed light irradiations was the number of pulsed light irradiations that was not achieved in either of Comparative Examples 1 and 2. The obtained concentration value is higher than any estimated value of the concentration of the NV center shown in Comparative Examples 1 and 2, and achieves the target concentration of about 10 16 that can be expected to increase the sensitivity of the quantum sensor. Was.

本実施例によると、ダイヤモンド試料に約150nJまたは約200nJのパルスエネルギーで最大で約5×10個のパルス光を照射することにより、NVセンターの濃度が最大で約3×1016cm-3であるダイヤモンドが得られた。このパルス光の照射数は、比較例1および2のどちらにおいても達成されていないパルス光の照射数であり、得られた濃度の値も、比較例1および2のどちらにおいても達成されていない濃度であった。 According to this example, by irradiating a diamond sample with up to about 5×10 8 pulsed light at a pulse energy of about 150 nJ or about 200 nJ, the concentration of NV centers is increased up to about 3×10 16 cm −3 . A diamond was obtained. This number of pulsed light irradiations was not achieved in either of Comparative Examples 1 and 2, and the density values obtained were not achieved in either of Comparative Examples 1 and 2. concentration.

<検証その2>
本実施例に係る空孔欠陥形成方法によりダイヤモンドの内部に形成したNVセンターについて、ダイヤモンドが黒鉛化しているか否かを検証した。
<Verification 2>
It was verified whether or not the diamond was graphitized with respect to the NV center formed inside the diamond by the vacancy defect forming method according to the present example.

検証は、公知の光検出磁気共鳴(Optically Detected Magnetic Resonance: ODMR)法により、NVセンターについて横緩和時間Tを測定することにより行った。ダイヤモンドにNVセンターを形成する際にダイヤモンドが黒鉛化されていると、この横緩和時間Tは減少する。 Verification was performed by measuring the transverse relaxation time T2 of the NV center by a known Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR) method. This transverse relaxation time T2 decreases if the diamond is graphitized during the formation of NV centers in the diamond.

検証には、濃度すなわち照射するパルス光の数を約5×10個~約5×10個の間で変化させてNVセンターを形成した複数のダイヤモンド試料を用いた。ダイヤモンド試料に照射するレーザーのパルスエネルギーは約150nJとした。 For verification, a plurality of diamond samples were used in which NV centers were formed by varying the concentration, that is, the number of pulsed lights to be irradiated, between about 5×10 5 and about 5×10 8 . The pulse energy of the laser applied to the diamond sample was about 150 nJ.

図6は、実施例に係る検証結果を説明するための図であり、(a)は横緩和時間Tの測定に用いる光検出磁気共鳴(ODMR)法に基づくハーンエコー法によるパルスシーケンスであり、(b)~(e)はハーンエコー法による測定信号である。 FIG. 6 is a diagram for explaining the verification results according to the example, (a) is a pulse sequence by the Hahn echo method based on the optical detection magnetic resonance (ODMR) method used for measuring the transverse relaxation time T2. , (b) to (e) are measured signals by the Hahn echo method.

(b)~(e)の測定信号に示すように、ダイヤモンド試料に照射するパルス光の数を5×10個~5×10個に増大させてNVセンターを形成しても、形成されたNVセンターの横緩和時間Tは、約1.6±0.2マイクロ秒~約2.4±0.2マイクロ秒の範囲内で大きく変動することはなく、さらに、もとのダイヤモンド試料に含まれるNVセンターの横緩和時間Tは約1.6±0.2マイクロ秒であり、ほぼ同じ値であった。これにより、本実施例に係る空孔欠陥形成方法によると、NVセンターを形成する際に生じる可能性があるダイヤモンドの黒鉛化は抑えられていることが確認された。 As shown in the measurement signals of (b) to (e), even if the number of pulsed lights irradiated to the diamond sample is increased to 5×10 5 to 5×10 8 to form NV centers, no NV centers are formed. The transverse relaxation time T2 of the NV center does not vary significantly within the range of about 1.6±0.2 μs to about 2.4±0.2 μs, and furthermore, the pristine diamond sample The transverse relaxation time T2 of the NV centers contained in is about 1.6±0.2 μs, which is almost the same value. From this, it was confirmed that graphitization of diamond, which may occur when NV centers are formed, is suppressed by the vacancy defect formation method according to the present example.

なお、ダイヤモンド試料に照射するパルス光の数を7.5×10個以上に増大させると、NVセンターの濃度の減少が確認され、照射するパルス光の数をさらに増大させると、集光点付近は明らかに黒色となり、ダイヤモンド試料が黒鉛化することが確認された。 When the number of pulsed lights irradiated on the diamond sample was increased to 7.5×10 8 or more, the concentration of the NV centers decreased. It was confirmed that the diamond sample was graphitized by clearly turning black in the vicinity.

また、ダイヤモンド試料に照射するパルス光の数を増大させながら、ダイヤモンド試料の黒鉛化が確認されたパルス光の数を確認した。パルスエネルギーが約60nJの場合は、約1.75×10個のパルス光を照射すると、ダイヤモンド試料が黒鉛化することが確認され、照射するパルス光の数がこの値よりも少ない約1.25×10個の場合には、ダイヤモンド試料の黒鉛化は確認されなかった。 In addition, while increasing the number of pulsed lights irradiated to the diamond sample, the number of pulsed lights for which graphitization of the diamond sample was confirmed was confirmed. When the pulse energy was about 60 nJ, it was confirmed that the diamond sample was graphitized when about 1.75×10 9 pulsed lights were irradiated. In the case of 25×10 9 diamond samples, no graphitization was confirmed.

同様に、パルスエネルギーが約100nJの場合は、約5×10個のパルス光を照射すると、ダイヤモンド試料が黒鉛化することが確認され、照射するパルス光の数がこの値よりも少ない約7.5×10個の場合には、ダイヤモンド試料の黒鉛化は確認されなかった。パルスエネルギーが約200nJの場合は、約1×10個のパルス光を照射すると、ダイヤモンド試料が黒鉛化することが確認され、照射するパルス光の数がこの値よりも少ない約7.5×10個の場合には、ダイヤモンド試料の黒鉛化は確認されなかった。 Similarly, when the pulse energy is about 100 nJ, it was confirmed that the diamond sample was graphitized when about 5×10 9 pulsed lights were irradiated. In the case of 0.5×10 8 , no graphitization of the diamond sample was confirmed. When the pulse energy is about 200 nJ, it was confirmed that the diamond sample was graphitized when about 1×10 9 pulsed lights were irradiated. In the case of 10 8 , no graphitization of the diamond sample was confirmed.

以上、本発明によると、ダイヤモンドに高濃度のNVセンターを形成することができる。従来、ダイヤモンドを黒鉛化することなくダイヤモンドにNVセンターを形成することは容易ではなく、ダイヤモンドに高濃度のNVセンター形成することは困難であった。本発明によると、形成されるNVセンターの濃度は、量子センサーにおいて高感度化が期待できる濃度である、約1015cm-3~1016cm-3の高濃度であり、NVセンターを形成する際にもダイヤモンドの黒鉛化は抑えられている。 As described above, according to the present invention, high-concentration NV centers can be formed in diamond. Conventionally, it was not easy to form NV centers in diamond without graphitizing diamond, and it was difficult to form NV centers in diamond at a high concentration. According to the present invention, the concentration of the NV centers to be formed is a high concentration of about 10 15 cm −3 to 10 16 cm −3 , which is a concentration that can be expected to increase the sensitivity of the quantum sensor. Graphitization of diamond is also suppressed.

また、本発明によると、ダイヤモンドにレーザーのパルス光を照射した後にダイヤモンドをアニーリングすることなく、ダイヤモンドにNVセンターを形成することができる。アニーリング工程が不要になると、NVセンターを含む量子センサー素子を工業的に製造する際に低温プロセスを採用することが可能になり、量子センサー素子を大気中で室温下で製造することが可能になる。 Further, according to the present invention, NV centers can be formed in diamond without annealing the diamond after irradiating the diamond with laser pulse light. Elimination of the annealing step makes it possible to employ low-temperature processes in the industrial fabrication of quantum sensor elements containing NV centers, enabling quantum sensor elements to be fabricated at room temperature in air. .

[その他の形態]
以上、本発明を特定の実施形態によって説明したが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。
[Other forms]
Although the present invention has been described in terms of specific embodiments, the present invention is not limited to the embodiments described above.

上記した実施形態では、試料9としてダイヤモンドを用い、色中心として、ダイヤモンドの内部にNVセンターと呼ばれる窒素-空孔中心を形成しているが、ダイヤモンドの内部に形成する色中心はNVセンターに限定されない。NVセンターに代えて、珪素-空孔中心またはゲルマニウム-空孔中心をダイヤモンドの内部に形成してもよい。 In the above-described embodiment, diamond is used as the sample 9, and nitrogen-vacancy centers called NV centers are formed inside the diamond as color centers, but the color centers formed inside the diamond are limited to NV centers. not. Instead of NV centers, silicon-vacancy centers or germanium-vacancy centers may be formed inside the diamond.

上記した実施形態では、レーザー1およびパルス整形器2により生成されるパルス光Lpのパルス幅はフェムト秒の時間的なオーダーを有しているが、ダイヤモンドを改質するために照射されるレーザーのパルス幅は、フェムト秒の時間的なオーダーに限定されない。ダイヤモンドの内部に高濃度のNVセンターを優先的に形成することができる限り、フェムト秒(10-15秒)以下の例えばアト秒(10-18秒)等の時間的なオーダーを有するパルス幅のレーザーをダイヤモンドに照射することができる。 In the above-described embodiment, the pulse width of the pulsed light Lp generated by the laser 1 and the pulse shaper 2 has a temporal order of femtoseconds. Pulse widths are not limited to the temporal order of femtoseconds. As long as a high concentration of NV centers can be preferentially formed inside the diamond, a pulse width having a temporal order such as femtosecond (10 −15 seconds) or less, such as attosecond (10 −18 seconds), is used. A laser can be directed at the diamond.

試料9に含まれている窒素不純物の濃度は、上記した実施形態において例示した濃度に限定されない。例えば量子センサーへの応用では、合成ダイヤモンドに含まれる窒素不純物の濃度は上記例示した約33ppm未満(例えば、約1ppm未満)であってもよいし、用いる合成ダイヤモンドもIb型に限定されずIIa型であってもよい。 The concentration of nitrogen impurities contained in sample 9 is not limited to the concentrations exemplified in the above embodiments. For example, in quantum sensor applications, the concentration of nitrogen impurities contained in the synthetic diamond may be less than about 33 ppm (e.g., less than about 1 ppm) as exemplified above, and the synthetic diamond used is not limited to type Ib, but type IIa. may be

1 レーザー(光源)
2 パルス整形器
3 対物レンズ
4 全反射ミラー
5 ダイクロイックミラー
6 光検出器(フォトダイオード)
9 試料
10 光学システム21 偏光制御部(波長板)
22,23,24 ミラー(全反射ミラー)
25 分散素子(回折格子)
26 集光素子(シリンドリカルレンズ)
27 空間光変調器(LCOS-SLM)
81 集光光学系
82 波長変換素子(非線形光学結晶)
83 分光器
84 制御ユニット
Lp パルス光
1 laser (light source)
2 pulse shaper 3 objective lens 4 total reflection mirror 5 dichroic mirror 6 photodetector (photodiode)
9 sample 10 optical system 21 polarization controller (wave plate)
22, 23, 24 mirror (total reflection mirror)
25 dispersive element (diffraction grating)
26 Condensing element (cylindrical lens)
27 Spatial Light Modulator (LCOS-SLM)
81 condensing optical system 82 wavelength conversion element (nonlinear optical crystal)
83 spectroscope 84 control unit Lp pulsed light

Claims (10)

ダイヤモンドの内部に空孔欠陥を形成する方法であって、
前記ダイヤモンドの吸収波長に対して透明な波長を有するレーザーのパルス波形を整形して、前記レーザーのパルス光の位相に関する時間的な分散を補償するステップと、
前記分散を補償した前記レーザーの前記パルス光を、前記ダイヤモンドの内部に複数回集光照射するステップと、
を含む方法。
A method for forming vacancy defects inside a diamond, comprising:
shaping a pulse waveform of a laser having a wavelength transparent to the absorption wavelength of the diamond to compensate for temporal dispersion in phase of the pulsed light of the laser;
a step of condensing and irradiating the pulsed light of the laser, the dispersion of which is compensated for, into the interior of the diamond a plurality of times;
method including.
前記ダイヤモンドの内部に集光照射する前記パルス光の数は、5×10以上である、請求項1に記載の方法。 2. The method according to claim 1, wherein the number of said pulsed lights condensed and irradiated into said diamond is 5*10< 7 > or more. 前記ダイヤモンドの内部に集光照射する前記パルス光の数は、2.5×10以上である、請求項2に記載の方法。 3. The method according to claim 2, wherein the number of said pulsed lights condensed and irradiated inside said diamond is 2.5*10< 8 > or more. 前記レーザーのパルスエネルギーは、60nJないし200nJの範囲であり、
前記レーザーのパルス幅は40フェムト秒以下である、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。
the laser pulse energy is in the range of 60 nJ to 200 nJ;
A method according to any one of claims 1 to 3, wherein the pulse width of said laser is 40 femtoseconds or less.
前記レーザーのパルスエネルギーは、150nJないし200nJの範囲である、請求項4に記載の方法。 5. The method of claim 4, wherein the laser pulse energy is in the range of 150 nJ to 200 nJ. 前記分散を補償するステップにおいて、前記パルス光に位相変調を行うことにより、第1の偏光成分からなる第1のサブパルス光と、前記第1の偏光成分に交差する第2の偏光成分からなる第2のサブパルス光との間に時間遅延を生じさせる、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。 In the step of compensating for dispersion, the pulsed light is phase-modulated to form a first sub-pulse light consisting of a first polarization component and a second sub-pulse light consisting of a second polarization component crossing the first polarization component. 6. A method according to any one of claims 1 to 5, wherein a time delay is created between the two sub-pulses of light. ダイヤモンドを準備するステップと、
請求項1~6のいずれかの方法により前記ダイヤモンドの内部に空孔欠陥を形成するステップと、
を含む、ダイヤモンドの製造方法。
preparing a diamond;
forming vacancy defects inside the diamond by the method of any one of claims 1 to 6;
A method of making a diamond, comprising:
内部に形成されている空孔欠陥の濃度が1×1015cm-3以上であるダイヤモンド。 A diamond in which the concentration of vacancy defects formed therein is 1×10 15 cm −3 or more. 前記空孔欠陥の濃度が3×1015cm-3以上である、請求項8に記載のダイヤモンド。 9. The diamond according to claim 8, wherein the vacancy defect concentration is 3×10 15 cm −3 or more. 前記空孔欠陥の濃度が1×1016cm-3以上である、請求項9に記載のダイヤモンド。 10. The diamond according to claim 9, wherein the vacancy defect concentration is 1×10 16 cm −3 or more.
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