Способ создания оптически проницаемого изображения внутри алмаза, устройство для его осуществления (варианты) и устройство для детектирования указанного изображения

Способ создания оптически проницаемого изображения внутри алмаза, устройство для его осуществления (варианты) и устройство для детектирования указанного изображения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к способам записи в алмазах информации, более точно к способам создания внутри алмазов изображений, несущих информацию различного назначения, например известную только ограниченному кругу лиц, например коды идентифицикации, метки, идентифицирующие алмазы, в частности, к способам создания внутри алмаза оптически проницаемого изображения, невидимого невооруженным глазом, с помощью увеличительных стекол и микроскопов различных типов, внутри ограненных и неограненных природных алмазов или синтетических алмазов без влияния на их характеристики поглощения, приводящего к нанесению ущерба качеству алмазов.

Предшествующий уровень техники

Проблема создания в объемах алмазов изображений, например для маркировки алмазов в целях их идентификации и отслеживания, без нанесения ущерба их качеству и, соответственно, стоимости, хорошо известна, так как некоторые свойства алмазов делают создание таких изображений весьма затруднительным.

Известно, что алмазы оптически прозрачны для длин волн в видимой области спектра в диапазоне 400-700 нм, что алмаз представляет собой материал очень высокой твердости, подверженный раскалыванию при резком механическом напряжении или чрезмерном локальном нагреве, а изображения меток, предпочтительно имеющих вид читаемых кодов, проб, заводских номеров, последовательности буквенно-цифровых знаков, во избежание несанкционированного обнаружения или удаления должны иметь очень маленькие размеры и недоступное для механических и химических воздействий расположение и не изменять внешний вид и коммерческую стоимость алмаза.

Известны различные способы нанесения изображений на поверхность ограненного алмаза. Однако фасеты поверхности ограненного алмаза ориентированы в разных направлениях, имеют весьма малые размеры и могут быть недоступны для мечения и детектирования, если драгоценный камень вставлен в оправу. Кроме того, исходные поверхностные метки могут быть уничтожены с помощью механической и химической обработки, например, полированием, травлением. Поэтому предпочтительным особенно для дорогостоящих алмазов является создание изображений метки под поверхностным слоем алмаза без изменения наружной поверхности.

Создание двух и трехмерных изображений в объеме алмаза является многообещающей технологией как для целей хранения информации, так и для применения в оптической технике.

Известны способы создания изображений в самородных алмазах в виде меток, являющихся непрозрачными для оптического излучения, за счет развития объема нарушенных микроструктур алмаза, окружающих естественные примеси, например самые разные невидимые невооруженным глазом структурные дефекты и примеси, большинство из которых является атомами азота, водорода и бора, или за счет внедрения в структуру алмаза примесных ионов, например фосфора, создающих детектируемые дефектные области.

Известен способ и система для лазерного мечения алмазов (RU 2357870 С1; WO 2006/092035; US 7284396 B1), в которых предложено гравирование кодов аутентификации в виде меток в объеме алмаза, создаваемых путем воздействия на локализованные внутренние дефекты в объеме алмаза (атомы азота, водорода, серы, фосфора, никеля, бора и другие) управляемой последовательностью лазерных импульсов в фемтосекундном диапазоне (от нескольких фемтосекунд до 200 пикосекунд) с энергией, переносимой каждым лазерным импульсом, выше пороговой энергии, требуемой, чтобы вызвать постоянные структурные изменения (повреждения) в кристалле алмаза при выбранной длине волны лазера и характеристиках фокусирования. При этом излучение производят импульсами, сфокусированными ниже поверхности и приводящими к формированию в местах случайного распределения указанных дефектов растущих дефектных микроструктур, не прозрачных для оптического излучения. Знаки состоят из неалмазных форм углерода и сформированы из нескольких микроскопических точечных меток размером несколько микрометров (2-5 мкм) при расстоянии между соседними точечными метками около 50 мкм, а массив точечных меток имеет площадь 250×250 мкм, и требуют для детектирования использования специального считывающего устройства. Однако при этом:

- созданные точечные метки являются более крупными, чем природные дефекты в алмазе, что снижает качество и коммерческую стоимость алмазов;

- взаимное расположение точек в метке может определить лишь некую их геометрическую совокупность, например, вершин виртуального треугольника на основе трех точек, но не изображение самого треугольника;

- аутентификация камня по взаимному пространственному расположению в нем точечных меток, созданных в необработанном алмазе, не может быть надежной после его огранки, когда положение части точечных меток относительно граней и между собой может быть изменено;

- в связи со стохастическим расположением природных дефектов в алмазе создание изображений, имеющих изобразительную и смысловую нагрузку, невозможно.

Известен способ получения изображения в прозрачных материалах (SU 329899 A), в котором скрытое изображение создавали в прозрачных алмазных пластинках размером 50×50 мм и толщиной 300 мкм, вырезанных из естественных алмазных октаэдров. На поверхность такого образца накладывали металлическую маску толщиной 50 мкм, в которой фотолитографическим путем было вытравлено требуемое изображение, после чего образец подвергали бомбардировке ионами фосфора. При этом помимо цветного поверхностного изображения появлялось и внутреннее изображение, а пластинки подвергались последующему термическому отжигу, в результате которого цветное изображение пропадало. Сформированное изображение было термически устойчиво до 1200°C, не разрушалось под действием света, электрических и магнитных полей. Однако из-за высокой твердости решетки глубина проникновения ионов фосфора внутрь алмаза и глубина размещения внутреннего изображения не может быть большой, поэтому тонкий поверхностный слой, содержащий метку, может быть удален полировкой или травлением, а увеличение количества примесей фосфора в алмазе и наличие визуально различимого изображения влияет на его коммерческую стоимость.

Известен способ встраивания в монокристаллический алмаз, полученный методом химического осаждения из газовой (паровой) фазы на алмазной подложке, у которой поверхность, где происходит рост алмаза, в основном свободна от кристаллических дефектов, производственной марки или идентификационной метки (RU 2382122 C1), в котором в процессе синтеза в слой синтетического алмазного материала вводят, по меньшей мере, одну допирующую добавку химического элемента из группы, включающей азот, бор и кремний, в форме дефектных центров, испускающих при возбуждении излучение с характерной длиной волны. При этом азот может быть введен в синтетическую плазму в разных формах, обычно это N₂, NH₃, воздух, N₂H₄, и образует производственную марку или идентификационную метку в форме слоя, в котором при соответствующем оптическом возбуждении возникает флюоресценция с пиками 575 нм и/или 637 нм. Эта флюоресценция гасится, по существу, мгновенно при удалении источника возбуждения. В этом слое, содержащем допирующий азот, может также наблюдаться линия фотолюминесценции на 533 нм. Предпочтительно производственная марка или идентификационная метка имеют форму одного или более слоев или областей, введенных в алмазный материал в процессе синтеза: например, форма производственной марки или идентификационной метки, такой как товарный знак, может представлять собой одну или более совокупностей характерных слоев, периодически распределенных в алмазном слое, предмете или синтетическом драгоценном камне. Распознавание (детектирование) производственной марки или идентификационной метки может проводиться, например, визуально или с помощью специальных оптических приборов. В общем случае предпочтительным является распознавание непосредственно невооруженным глазом наблюдателя, поскольку этот метод позволяет получить пространственную информацию, в частности бинокулярную или глубинную информацию.

Кроме того, хорошо известно, что захват примесей изменяется в зависимости от сектора роста, участвующего в этом процессе, например сектор роста {111} часто захватывает более высокую концентрацию примесей, чем сектор роста {100}.

Однако в этом способе мечения синтетических выращенных алмазов в алмаз вводят заведомо известный дефект, что не улучшает качества алмаза, а из-за хаотичности размещения таких дефектов в алмазе при его синтезе совокупность таких введенных дефектов не может составить какого-либо изображения, содержащего заданные элементы.

Кроме того, этот способ является способом выращивания алмаза с заданной меткой и не может применяться для маркировки природных алмазов или выращенных по иным технологиям искусственных алмазов.

Авторы пришли к заключению, что наиболее перспективным направлением создания различных скрытых изображений в объеме природных и синтетических алмазов, например меток, является использование оптически прозрачных дефектов, в частности, связанных с наличием в алмазе примесей азота, являющихся оптически проницаемыми для длин волн видимого диапазона спектра и позволяющих после специальной обработки получать невидимые невооруженным глазом, с помощью увеличительных стекол и микроскопов различных типов, но флюоресцирующие при облучении возбуждающим излучением элементы, которые в совокупности могут сформировать заданное изображение внутри алмаза.

Известно, что основными дефектами в алмазах, связанными с примесью азота, являются:

Дефект А - аналогичен двухатомной дипольной молекуле N_S-N_S, то есть паре атомов азота в соседних узлах кристаллической решетки;

Дефект В1 - четыре атома азота в первой координационной сфере вакансии;

Дефект В2 - пластинчатая сегрегация в плоскости {100} принадлежит к наиболее легко обнаруживаемым дефектам и может непосредственно наблюдаться в электронном микроскопе. Этот дефект содержится только в природных кристаллах и только в сочетании с дефектами А и B1.

Дефект С - простейший азотный дефект кристаллической структуры алмаза, представляющий собой одиночный изолированный атом азота в позиции замещения. Концентрация азота в виде дефектов С в природных алмазах обычно не превышает 10¹⁶ см^-3, в некоторых разновидностях кристаллов она достигает 10¹⁸ см^-3 и более. В синтетических алмазах, как правило, содержится ~10 см^-3 азота.

Также известна физическая классификация типов алмазов в зависимости от содержания дефектов, связанных с примесями азота в кристалле алмаза (Г.Б.Бокий, Г.Н.Безруков, Ю.А.Клюев и др. Природные и синтетические алмазы. М.: Наука, 1986 г., 221 стр.; Ю.А.Клюев Алмаз природный. Светопропускание в диапазоне длин волн 0,2-25 мкм. Таблицы ССД ГССД 36-82, М., 1983 г. Изд-во Стандартов):

- Тип Ia - наиболее распространенный (до 98%) тип природных алмазов, содержащих до 0,3 ат.% азота. В зависимости от формы вхождения примесного азота в типе Iа выделены несколько подтипов:

- IaA (Чистый тип А) - в природе встречается крайне редко, основная форма вхождения примесного азота в виде А дефектов. Может быть получен термообработкой алмаза типа Ib при температурах свыше 1400С°;

- IаВ1 (Чистый тип B1) - в природе встречается крайне редко, основная форма вхождения азота в виде B1 дефектов;

- IаВ' (Смешанный тип) - алмазы, содержащие помимо А-дефектов и В1-дефектов и дефекты В2 (плейтелитсы). Этот тип дополнительно подразделяется на «регулярные» с постоянным соотношением В1/В2 и «нерегулярные», где это соотношение произвольно;

- Тип Ib - алмазы, наиболее редко (0,1%) встречающиеся в природе. Алмазы этого типа содержат одиночные атомы азота (дефект С) как примесь замещения в количестве до 10²⁰ см^-3 и имеют желтый цвет, обусловленный спектром поглощения дефекта С. Большинство синтетических алмазов, выращенных из графита при низких температурах или за короткое время, относятся к этому типу. В алмазах, претерпевших более длительный цикл выращивания (как правило, более крупных) либо синтезированных, или отожженных при температурах свыше 1400С°, дефекты С начинают трансформироваться в дефекты А, образуя искусственный тип алмаза Ib+IaA;

- Тип IIa - малоазотистые алмазы. Их основные классификационные признаки: отсутствие поглощения в ИК-диапазоне 1500-1000 см^-1, ярко выраженный край фундаментального поглощения в УФ диапазоне вблизи 225 нм. Алмазы этого типа достаточно редки. В некоторых месторождениях доля алмазов типа IIа не превышает 1-2%. Концентрационная граница, определяющая принадлежность алмазов к типу IIа, весьма неопределенна. Иногда такие алмазы называют "безазотными", "беспримесными", хотя концентрация азота в некоторых из них может достигать ~10¹⁷ см^-3;

- Тип IIb - голубые полупроводниковые алмазы. Содержат еще меньше азота, чем алмазы IIа, около 10¹⁵ см^-3. Голубая окраска и полупроводниковые свойства обусловлены примесью бора (В-дефект) с содержанием приблизительно до 10¹⁶ см^-3.

Учитывая изложенное выше, можно утверждать, что даже в алмазах с самым низким содержанием азота в виде дефектов С около 10¹⁵ см^-3, в объеме 1 мкм³ (или 10^-12 см³) будет находиться около 1000 дефектов С - атомов азота в позиции замещения.

Кроме того, известно, что в природных алмазах типа 1а дефекты А и В1 способны к трансформации в дефекты С.

Например, известен способ обработки природного алмаза типа 1a (RU 2237113 С2) при температуре более 2150°C при давлении 6,0-7,0 Gpa и последующего облучения алмазов, содержащих дефекты А, потоком электронов с дозой 5.10¹⁵-5.10¹⁸ см^-2 при 2-4 МэВ, а алмазов, содержащих более 800 ppm примесей азота в виде дефектов А или В1 - потоком электронов с дозой облучения более 10¹⁹ см^-2, приводящего к формированию в кристаллической решетке этих алмазов изолированных атомов азота в позиции замещения - дефектов С.

При этом известно, что содержащиеся в алмазах атомы азота в позиции замещения - дефекты С - способны связываться с вакансией, если таковая имеется и алмаз находится при температуре, достаточной для дрейфа вакансии внутри кристалла, образуя новый устойчивый дефект - N-V центр (N - азот, V - вакансия), обладающий уникальными среди всех твердых тел радиооптическими свойствами и поглощающий в диапазоне длин волн 400-840 нм с максимальным сечением поглощения на уровне 10^-16 см² (T.L.Wee, Y.K.Tzeng, C.C.Han, H.C.Chang, W.Fann, J.H.Hsu, K.M.Chen and Y.C.Yu, J.Phys. Chem. A 111 (2007), p.9379; N.B.Manson, J.P.Harrison and M.J.Sellars. The nitrogen-vacancy center in diamond re-visited, arXiv:cond-mat/0601360v2 (5 June 2006); F.Jelezko and J.Wrachtrup. Single defect centres in diamond: A review, phys. stat. sol. (a) 203, No.13, 3207-3225 (2006) / DOI 10.1002/pssa.200671403; IN Kupriyanov, V A Gusev, Yu N Pal'yanov and Yu M Borzdov. Photochromic effect in irradiated and annealed nearly IIa type synthetic diamond, J. Phys.: Condens. Matter 12 (2000) 7843-7856. Printed in the UK, 00_Photochr effect iJ1 of Ph Cond M.pdf).

Создание вакансий в алмазе может быть обеспечено, например, под воздействием электронного или ионного пучка или ультракоротких лазерных импульсов.

Создание N-V центров в алмазе, содержащем созданные ранее вакансии, может быть обеспечено отжигом алмазов при температуре, достаточной для дрейфа вакансий до места нахождения дефектов С, например, при отжиге алмазов, содержащих дефекты С, при температуре не менее 1100°C в печи в вакууме, приводящем к образованию указанных N-V-центров (RU 2237113 C2).

При отжиге в печи на поверхностях (полированных гранях) алмаза может образовываться тонкий слой графита, что нежелательно для драгоценных (ювелирных) алмазов (бриллиантов), однако указанный слой может быть легко удален мягкой полировкой.

При возбуждении интенсивным оптическим излучением N-V-центр флюоресцирует, проявляя красную или желтую окраску, эта флюоресценция может быть детектирована и по ее наличию и характерному спектру флюоресценции можно сделать вывод о наличии в алмазе N-V центров.

При наличии в алмазе донорных примесей, каковые, как правило, присутствуют в большинстве природных и искусственных алмазов, N-V центр может захватить электрон, приобретая отрицательный заряд, и начать проявлять известный эффект двойного радиооптического резонанса (ДРОР), который присущ только N-V центрам в алмазе и по наличию которого можно сделать вывод о том, что данный кристалл является именно алмазом и что он содержит именно N-V центры (N.B.Manson, J.P.Harrison and M.J.Sellars. The nitrogen-vacancy center in diamond re-visited, arXiv:cond-mat/0601360v2 (5 June 2006); F.Jelezko and J.Wrachtrup. Single defect centres in diamond: A review, phys. stat. sol. (a) 203, No.13, 3207-3225 (2006) / DOI 10.1002/pssa.200671403; IN Kupriyanov, V A Gusev, Yu N Pal'yanov and Yu M Borzdov. Photochromic effect in irradiated and annealed nearly IIa type synthetic diamond, J. Phys.: Condens. Matter 12 (2000) 7843-7856. Printed in the UK.).

В настоящее время способность N-V-центров к флюоресценции используют для выявления (детектирования) алмазов, в которых такие центры образованы во всем объеме алмаза без формирования каких-либо изображений или выявления (детектирования) изделий, содержащих такие алмазы.

Известен способ встраивания в монокристаллический алмаз, полученный методом химического осаждения, производственной марки или идентификационной метки (RU, 2382122, C1), в котором в процессе синтеза в слой синтетического алмазного материала вводят слой, в котором основной активной допирующей добавкой является молекулярный азот, гидриды бора или окислы кремния. Например, на первой стадии выращивания алмаза синтез проводили с использованием 200/250/4500 ссм³/с (стандартный кубический сантиметр в секунду) CH₄/Ar/H₂ при давлении 200×10² Па, при температуре 850°C в отсутствие допирующих добавок, вторую стадию роста проводили при тех же условиях, что и первую, но с добавлением 0,8 ссм³/с 20 част./млн В₂Н₆ в водороде (0,003 част./млн) и с добавлением 25 ссм³/с 100 част./млн N₂ в водороде (0,5 част./млн), а третью стадию роста проводили при тех же условиях, что и первую, но с добавлением 10 ссм³/с N₂; в водороде (0,2 част./млн). В результате получали кристалл алмаза со слоями, содержащими азот в форме центров NV° и NV^- в которых при соответствующем более коротковолновом возбуждении возникает люминесценция на длинах волн 575 нм и 637 нм, сопровождающаяся электронно-колебательными полосами.

Комбинация этих излучений выглядит оранжевой/красной и эта люминесценция прекращается, по существу, мгновенно при удалении источника возбуждения. Центры такого типа при нормальных условиях наблюдения не вносят значительных изменений в воспринимаемый цвет драгоценного камня, так как при этом поглощение происходит только дефектами в маркирующих слоях. Этот слой хорошо виден при специальных искусственных условиях наблюдения, и наблюдатель может видеть, например, путем наблюдения через площадку камня, значительную площадь слоя, которая излучает свет внутри объема алмаза. Однако при этом производственная марка или идентификационная метка представляют собой только слой определенного цвета или комбинацию слоев различных цветов, но изображение, несущее более конкретную информацию, не может быть создано описанным способом.

Кроме того, этот способ является способом выращивания алмаза с заданной меткой и не может применяться для маркировки природных алмазов или искусственных алмазов, выращенных по иным технологиям.

Известны используемые в способах защиты изделий метки, содержащие нанокристаллы алмаза с активными центрами, флюоресцирующими под действием внешнего излучения: N-V центрами (RU 2357866 С1) или N-E8 центрами (RU 2386542 C1), полученными путем воздействия на нанокристаллы алмаза электронным или ионным пучком с последующим отжигом при высокой температуре, что приводит к образованию N-V центров или N-E8 центров, расположенных во всем объеме нанокристалла произвольно россыпью. Затем нанокристаллы, содержащие указанные оптически активные центры, вводят в изделие, и по наличию в изделии эффекта флюоресценции нанокристаллов при возбуждающем оптическом облучении судят о подлинности изделия.

При этом известно, что детектирование таких излучений флюоресценции N-V центров (RU 2357866 C1) может быть проведено в устройстве, содержащем источник оптического возбуждения с длиной волны в диапазоне 500-550 нм, например, излучением второй гармоники лазера на иттрий-алюминиевом гранате (532 нм), которое активизирует N-V центры и вызывает их флюоресценцию, и фотоприемное устройство, настроенное на длины волн в диапазоне 630-800 нм, которое анализирует спектральные и временные характеристики принимаемого сигнала флюоресценции.

При этом заключение о наличии такой метки в изделии делают на основе спектральных характеристик флуоресценции, соответствующих известным спектральным характеристикам флюоресценции N-V центра, и различия сигнала флюоресценции при одновременном возбуждении резонансным СВЧ полем и без него, что свидетельствует о наличии в изделии алмаза, в котором присутствуют N-V центры.

Однако наличие таких нанокристаллов алмаза в изделии может быть детектировано только как некое флюоресцирующее пятно в области, содержащей указанные нанокристаллы.

Раскрытие изобретения

При создании настоящего изобретения была поставлена задача разработки способа создания внутри природного, синтетического, ограненного или неограненного алмаза оптически проницаемого изображения, не видимого невооруженным глазом или с помощью увеличительных стекол и микроскопов различных типов и состоящего из взаимно расположенных между собой оптически проницаемых элементов, оказывающих пренебрежимо малое влияние на характеристики поглощения алмаза и при этом детектируемых по характерной флюоресценции при облучении возбуждающим излучением.

Поставленная задача была решена разработкой способа создания оптически проницаемого изображения внутри алмаза, в котором под поверхностью алмаза создают N-V центры, флюоресцирующие при возбуждающем облучении, отличающийся тем, что изображение создают внутри алмаза в области, свободной от оптически непроницаемых неоднородностей, при этом создают изображение, состоящее из заданной совокупности оптически проницаемых элементов микронного или субмикронного размера, представляющих собой кластеры N-V центров, и при этом образование кластеров N-V центров осуществляют с помощью выполнения следующих операций:

- обработки алмаза рабочим оптическим излучением, сфокусированным в фокальной области, расположенной в области предполагаемого размещения кластера N-V центров, с подачей рабочих ультракоротких импульсов излучения, обеспечивающих образование кластера вакансий в указанной фокальной области и при этом обеспечивающих интегральный флюенс в указанной фокальной области ниже порогового флюенса, при котором происходит локальное превращение алмаза в графит или иную неалмазную форму углерода;

- отжига, по меньшей мере, указанных областей предполагаемого размещения кластеров N-V центров, обеспечивающего в указанных областях дрейф созданных вакансий и образование N-V центров, сгруппированных в кластеры в тех же областях, что и кластеры вакансий.

При этом согласно изобретению целесообразно в качестве рабочего излучения использовать излучение ультракоротких лазерных импульсов с длительностью около 100 фс с центральной длиной волны 1058±2 нм с энергией в каждом импульсе, обеспечивающей в указанной области суммарный интегральный флюенс воздействия в диапазоне от 10^-3 до 0,4 Дж/см².

При этом согласно изобретению целесообразно создавать элемент изображения, имеющий размеры в диапазоне от 0,5 до 20,0 мкм на глубине более 100 мкм, при этом для обработки используют излучение ультракоротких лазерных импульсов, сфокусированное в фокальной области, имеющей размеры в диапазоне от 0,5 до 20,0 мкм, соответственно.

При этом согласно изобретению целесообразно дополнительно осуществлять контроль созданных элементов изображения на основе регистрации флюоресценции N-V центров при облучении, по меньшей мере, областей размещения элементов изображения, возбуждающим оптическим излучением, обеспечивающим возбуждение N-V центров, формирование цифровой и/или объемной модели созданного изображения.

При этом согласно изобретению целесообразно в области расположения каждого указанного кластера, ранее не обеспечивающего желаемой интенсивности флюоресценции, проводить корректировку концентрации N-V центров в каждом созданном кластере N-V центров с помощью коррекции суммарного интегрального флюенса рабочих ультракоротких лазерных импульсов в области расположения данного кластера.

При этом согласно изобретению целесообразно коррекцию суммарного интегрального флюенса рабочих ультракоротких импульсов осуществлять путем увеличения количества указанных импульсов и/или увеличения их энергии.

При этом согласно изобретению целесообразно проводить операцию облучения областей предполагаемого расположения кластеров N-V центров рабочим ультракоротким импульсным излучением одновременно с операцией отжига.

При этом согласно изобретению целесообразно проводить операцию облучения областей предполагаемого расположения кластеров N-V центров рабочим ультракоротким импульсным излучением одновременно с операцией отжига и с операцией облучения возбуждающим излучением.

При этом согласно изобретению целесообразно проводить операцию облучения областей предполагаемого расположения кластеров N-V центров рабочим ультракоротким импульсным излучением одновременно с операцией отжига, с операцией облучения возбуждающим излучением и с операцией регистрации излучения флюоресценции кластеров N-V центров.

При этом согласно изобретению целесообразно отжиг алмазов осуществлять в печи в вакууме или инертной атмосфере при температуре 700-1200°C.

При этом согласно изобретению целесообразно отжиг алмазов массой менее 100 мкг осуществлять с помощью облучения области предполагаемого расположения кластера N-V центров сфокусированным в ней непрерывным оптическим излучением до образования флюоресцирующего кластера N-V центров.

При этом согласно изобретению целесообразно отжиг осуществлять излучением второй гармоники лазера на Nd:YAG с длиной волны 532 нм и мощностью от 1 до 100 Вт.

При этом согласно изобретению целесообразно отжиг и возбуждение образующихся N-V центров осуществлять с помощью излучения второй гармоники лазера на Nd:YAG с длиной волны 532 нм и мощностью от 1 до 100 Вт.

При этом согласно изобретению целесообразно облучение указанными рабочим и возбуждающим излучением и регистрацию созданных флюоресцирующих элементов изображения осуществлять через, по меньшей мере, одну оптически проницаемую площадку, предварительно выполненную на поверхности алмаза, и алмаз размещают в потоке рабочего излучения таким образом, чтобы указанная площадка была перпендикулярна направлению указанного рабочего излучения.

Поставленная задача была также решена созданием первого варианта устройства для осуществления способа создания оптически проницаемого изображения внутри алмаза, содержащее источник рабочего оптического излучения, обеспечивающего создание вакансий в алмазе, устройство для отжига, обеспечивающего дрейф вакансий и создание внутри алмаза N-V центров, флюоресцирующих под действием возбуждающего излучения, отличающееся тем, что приспособлено для создания изображения, состоящего из заданной совокупности оптически проницаемых элементов микронного или субмикронного размера, представляющих собой кластеры N-V центров, в алмазе, имеющем одну предварительно выполненную на поверхности алмаза оптически проницаемую полированную площадку, и содержит:

- средство (1) для закрепления алмаза (2) и его координированного перемещения в пространстве;

- источник (3) рабочего оптического излучения (4), приспособленный для формирования пучка излучения ультракоротких импульсов, обеспечивающего создание вакансий в алмазе (2), сгруппированных в кластер, и выполненный с возможностью регулирования количества и энергии указанных импульсов;

- источник (5) оптического излучения, приспособленный для формирования пучка непрерывного излучения (6), обеспечивающего отжиг алмаза (2), достаточный для дрейфа вакансий в области расположения создаваемого элемента изображения с образованием N-V-центров, сгруппированных в кластер, и обеспечивающего оптическое возбуждение создаваемых N-V-центров;

- систему (7) подачи указанных излучений (4, 6) от источников (3, 5) через упомянутую оптически проницаемую площадку (2а), обеспечивающую формирование фокальной перетяжки пучков указанных излучений (4, 6) в области предполагаемого размещения элемента изображения внутри алмаза (2);

- систему (17) управления устройством, обеспечивающую подачу команд на средство (1) для закрепления алмаза (2), источники (3, 5) излучений (4, 6), на систему (7) подачи излучений.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы устройство в качестве источника (3) рабочего оптического излучения (4) содержало источник, обеспечивающий излучение ультракоротких лазерных импульсов с длительностью порядка 100 фс с центральной длиной волны 1058±2 нм.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы устройство в качестве источника (3) рабочего оптического излучения (4) содержало источник излучения ультракоротких лазерных импульсов с возможностью коррекции энергии каждого импульса и их количества, позволяющий обеспечить в области указанной фокальной перетяжки (18) суммарный интегральный флюенс воздействия в диапазоне от 10^-3 до 0,4 Дж/см².

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы устройство в качестве источника (5) оптического излучения содержало лазер, обеспечивающий излучение с длиной волны 532 нм и снабженный ослабителем, с максимальной средней мощностью 7 Вт.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы устройство дополнительно содержало дихроичное зеркало (11), пропускающее излучения указанных источников (3, 5) излучения и отражающее излучение флюоресценции N-V центров, а также содержит систему (12) регистрации флюоресценции созданных элементов изображения через указанную предварительно выполненную на поверхности алмаза (2) оптически проницаемую полированную площадку (2а) и обеспечивающую измерение интенсивности флюоресценции создаваемых N-V центров.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы система (17) управления устройством также обеспечивала подачу команд на систему (12) регистрации и прием цифровой информации от системы (12) регистрации, ее обработку, формирование цифровой и/или объемной модели созданного изображения, сравнение созданного изображения с заданным эталоном.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы система (7) подачи излучений (4, 6) включала в себя дихроичное зеркало (8), пропускающее изучение (6) отжига и возбуждения и отражающее рабочее излучение (4), адаптивное зеркало (9), обеспечивающее коррекцию волнового фронта рабочего излучения (4), и параболическое зеркало (10) внеосевое, приспособленное для фокусировки рабочего излучения (4) и излучения (6) отжига и возбуждения в области предполагаемого размещения элемента изображения внутри алмаза перпендикулярно указанной площадке (2а).

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы система (7) подачи излучений обеспечивала возможность фокусировки излучений (4, 6) в фокальной области (18), имеющей размеры в диапазоне от 0,5 до 20,0 мкм на глубине более 100 мкм.

Кроме того, поставленная задача была решена созданием второго варианта устройства для осуществления способа создания оптически проницаемого изображения внутри алмаза, содержащее источник рабочего оптического излучения, обеспечивающего создание вакансий в алмазе, устройство для отжига, обеспечивающего дрейф вакансий и создание внутри алмаза N-V центров, флюоресцирующих под действием возбуждающего излучения, отличающееся тем, что приспособлено для создания изображения, состоящего из заданной совокупности оптически проницаемых элементов микронного или субмикронного размера, представляющих собой кластеры N-V центров, в алмазе, имеющем две предварительно выполненные на поверхности алмаза оптически проницаемые полированные площадки, и содержит:

- средство (1) для закрепления алмаза (2) и его координированного перемещения в пространстве;

- источник (3) рабочего оптического излучения (4), приспособленный для формирования пучка излучения ультракоротких импульсов, обеспечивающего создание вакансий в алмазе (2), сгруппированных в кластер, и выполненный с возможностью регулирования количества и энергии указанных импульсов;

- источник (5) оптического излучения, приспособленный для формирования пучка непрерывного излучения (6), обеспечивающего отжиг алмаза (2), достаточный для дрейфа вакансий в области расположения создаваемого элемента изображения с образованием N-V-центров, сгруппированных в кластер, и обеспечивающего оптическое возбуждение создаваемых N-V-центров;

- систему (7) подачи указанных излучений (4, 6) от источников (3, 5) в алмаз (2) через одну из упомянутых оптически проницаемых площадок (2а), обеспечивающую формирование фокальной перетяжки пучков указанных излучений (4, 6) в области предполагаемого размещения элемента изображения внутри алмаза (2);

- систему (17) управления устройством, обеспечивающую подачу команд на средство (1) для закрепления алмаза (2), источники (3, 5) излучений (4, 6), систему (7) подачи излучений.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы устройство в качестве источника (3) рабочего оптического излучения (4) содержало источник, обеспечивающий излучение ультракоротких лазерных импульсов с длительностью порядка 100 фс с центральной длиной волны 1058±2 нм.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы устройство в качестве источника (3) рабочего излучения (4) содержало источник излучения ультракоротких лазерных импульсов с возможностью коррекции энергии каждого импульса и их количества, позволяющий обеспечить в области указанной фокальной перетяжки (18) суммарный интегральный флюенс воздействия в диапазоне от 10^-3 до 0,4 Дж/см².

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы устройство в качестве источника (5) оптического излучения содержало лазер, обеспечивающий излучение с длиной волны 532 нм и снабженный ослабителем, с максимальной средней мощностью 7 Вт.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы устройство дополнительно содержало систему (12) регистрации, обеспечивающую регистрацию флюоресценции созданных элементов изображения через другую оптически проницаемую площадку (2б) из указанных площадок (2а, 2б), и обеспечивающую измерение интенсивности флюоресценции создаваемых N-V центров.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы система (17) управления устройством также обеспечивала подачу команд систему (12) регистрации и прием цифровой информации от системы (12) регистрации, ее обработку, формирование цифровой и/или объемной модели созданного изображения.

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы система (7) подачи излучений (4, 6) включала в себя дихроичное зеркало (8), пропускающее изучение (6) отжига и возбуждения и отражающее рабочее излучение (4), адаптивное зеркало (9), обеспечивающее коррекцию волнового фронта рабочего излучения (4), и параболическое зеркало (10) внеосевое, приспособленное для фокусировки рабочего излучения (4) и излучения (6) отжига и возбуждения в заданной области предполагаемого размещения элемента изображения внутри алмаза перпендикулярно указанной площадке (2а).

При этом согласно изобретению целесообразно, чтобы система (7) подачи излучений обеспечивала возможность фокусировки излучений (4, 6) в фокальной области (18), имеющей размеры в диапазоне от 0,5 до 20,0 мкм на глубине более 100 мкм.

Поставленная задача была также решена созданием третьего варианта устройства для осуществления способа создания оптически проницаемого изображения внутри алмаза и содержащее источник рабочего оптического излучения, обеспечивающего создание вакансий в алмазе, устройство для отжига, обеспечивающего дрейф вакансий, и создание внутри алмаза N-V-центров, флюоресцирующих под действием возбуждающего излучения, отличающееся тем, что приспособлено для создания изображения, состоящего из заданной совокупности оптически проницаемых элементов микронного или субмикронного размера, представляющих собой кластеры N-V центров, в алмаз