研究目的
研究利用超快激光脉冲对金刚石进行功能化处理，包括制备导电石墨线、光学波导以及产生氮空位（NV）色心。
研究成果
超快激光脉冲为金刚石功能化提供了一个多功能平台，能够制造导电的石墨化导线、光学波导以及高度相干的氮空位中心。该方法的高精度与材料特性为金刚石在传感和量子技术领域的器件应用开辟了新途径。
研究不足
钻石表面巨大的折射率失配会产生与深度相关的球差，需要通过自适应光学进行校正。该方法在氮空位中心生成的精度和产率方面存在潜在优化空间。
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 超快激光脉冲实现金刚石功能化
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[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 德国慕尼黑（2019.6.23-2019.6.27）] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议（CLEO/Europe-EQEC）- 超快激光脉冲实现金刚石功能化
DOI：10.1109/cleoe-eqec.2019.8873272
出版年份：2019
更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要：
钻石的极端材料特性使其成为众多技术应用的理想候选材料。然而这些特性往往对钻石加工成功能器件构成阻碍。聚焦于钻石内部的超短激光脉冲为钻石功能化提供了潜在新途径，可在单一平台上实现多种加工模式。当聚焦点位于钻石表层下方时，超短激光脉冲产生的足够光强会引发非线性吸收效应，从而改变钻石晶格结构。该过程的非线性特性将改变得限制在激光焦点体积内，不会影响钻石表面及周边区域。在高脉冲能量（约100纳焦以上）条件下，激光沉积的能量足以破坏钻石晶格并诱导石墨相形成。通过控制激光焦点轨迹，可在钻石内部三维空间制备导电石墨纳米线。当采用高数值孔径（NA=1.4）加工时[1]，该工艺具有确定性且纳米线导电性显著提升。钻石表面巨大的折射率失配会产生深度相关的球差，需通过自适应光学系统进行校正。
如图1(a)所示，激光刻写的导电线路可用于制备辐射传感器，这种设计能充分发挥钻石的抗辐射特性。激光加工技术的进步催生了新型探测器构型。超短脉冲激光在钻石表层下方制备的石墨包涵体会对周围晶格施加应力，进而改变晶体光学特性。通过设计应力场，可在钻石内部制备光学波导[2]和波导布拉格光栅[3]。在另一种加工模式下，超短脉冲还可在不破坏钻石晶格的前提下实现功能化。我们证实单次超短脉冲即可在钻石内部焦点区域产生空位群，经热退火处理修复晶格损伤后，能成功形成高度相干的单氮空位（NV）色心[4,5]。近期我们通过基于激光的局部退火技术结合荧光反馈，实现了近100%产率、平面定位精度达40纳米的NV色心阵列制备[6]。
作者：
Patrick Salter
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