Алмазный знак качества
В лаборатории газовых лазеров ФИАН разработали сразу два метода для прецизионной микромасштабной маркировки искусственных и естественных алмазов. Невидимые для невооружённого глаза метки здесь создают с помощью излучения фемтосекундного лазера.
На фото: Внешний вид природного алмаза
«Большая часть добываемых в мире алмазов (около 80 %) идёт на различные технические нужды. Остальные же 20 % ювелирного качества сильно превосходят их в цене, которая значительно изменяется в зависимости от веса и качества драгоценного камня. Поэтому разработка неразрушающих и невидимых для невооруженного глаза (согласно Кимберлийскому стандарту) методов маркировки алмазов очень важна для современной ювелирной индустрии» – рассказывает руководитель лаборатории газовых лазеров ФИАН, д.ф м.н. Андрей Ионин.
Перспективный способ создания таких своеобразных «знаков качества» разработали сотрудники этой лаборатории – Сергей Кудряшов, Алексей Левченко, Леонид Селезнев, и Дмитрий Синицын. Они воздействуют на алмаз излучением фемтосекундного лазера, который создаёт в нем повышенную концентрацию вакансий (дефектов в решётке алмаза, где отсутствуют атомы углерода). Комментирует научный сотрудник ФИАН Алексей Левченко:
«Обычно вакансии создаются с помощью электронных пучков или пучков любых высокоэнергичных частиц. Такой метод даёт однородную концентрацию вакансий по всему объёму образца. С помощью же фемтосекундного лазера, напротив, можно добиться аналогичного но локального эффекта – маленькими кластерами вакансий нарисовать требуемую "картинку".»
Потом эти вакансии могут связаться с примесными атомами азота, присутствующими обычно в объеме алмаза в значительных концентрациях, и образовать так называемый NV-центр (nitrogen-vacancy center) – очень «полезный» для алмазной маркировки дефект. Дело в том, что при облучении видимым светом NV-центры начинают характерно флуоресцировать, а приложение внешнего СВЧ-поля способно ещё и менять интенсивность этой флуоресценции.
«В алмазе могут быть и другие примеси, которые светятся под действием внешнего излучения, поэтому, включая СВЧ поле, мы сможем увидеть на фоне всех эти шумов наш изменяющийся сигнал. Если создать невидимый микрокластер NV-центров – за счёт острой фокусировки в объёме буквально вплоть до микрона, то впоследствии можно прочитать метку нашего алмаза по флуоресценции в СВЧ-поле. Мы уже успешно проводили такие эксперименты при поддержке иннновационной компании ООО «Новые энергетические технологии», оформили патент, а теперь ищем заинтересованных покупателей» – Алексей Левченко.
Во втором способе для маркировки драгоценных камней, разработанном в ФИАН, также используется излучение фемтосекундного лазера. Только здесь вместо создания вакансий в алмазе формируют вкрапления аморфной углеродной фазы (эти небольшие тёмные микровключения в объёме кристалла видны в оптическом микроскопе, но всё равно остаются неразличимыми для невооруженного глаза).
На фото: Тестовые линии стеклоуглерода, сформированные под действием
сильнофокусированного фемтосекундного лазерного излучения:
(а) на поверхности алмаза, ширина линии – 3 мкм;
(б) в его объеме, ширина тонкой линии – порядка 1мкм
Под действием фемтосекундного лазерного излучения в области фокуса происходит интенсивное многофотонное возбуждение материала, которое может вызывать «размягчение» его кристаллической решётки. (Позднее, после термализации поглощенной энергии излучения, значительно повышается температура и давление внутри алмаза, что также может привести к его разупорядочению).
На фото: Тестовая символьная информация, записанная фемтосекундным лазерным излучением
на разных глубинах – от 0.2 до 0.7 мм - внутри природного алмаза
Комментирует старший научный сотрудник ФИАН Сергей Кудряшов:
«Фемтосекундное лазерное излучение можно фокусировать на разных глубинах внутри прозрачных материалов, а потому такая технология позволяет создать уникальную трёхмерную маркировку. В наших экспериментах мы успешно формировали объемные микромасштабные метки – как на искусственных, так и на природных алмазах. Например, высококачественный образец – монокристаллический алмаз ювелирного качества – нам для совместных исследований предоставило НПО «Кристалл» из Смоленска, на котором ведется работа по техническому перевооружению предприятия для выпуска более высокотехнологичной ювелирной продукции. В результате, мы создали внутри кристалла неразличимую для глаза метку. Это успешное сотрудничество с НПО «Кристалл» продолжается»
В обычных условиях метка не видна даже под микроскопом, и поэтому не снижает ценность камня,
но под воздействием лазерного излучения начинает ярко флуоресцировать.
При этом метка создана внутри алмаза, и не может быть спилена или сполирована,
а ее поперечный размер составляет всего около 1 мкм
М. Петров, АНИ «ФИАН-информ»
