Fabrication of novel random laser sources using a laser processing technique

• Project Area: Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity
• Project/Area Number: 19H04529
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Hokkai-Gakuen University
• Principal Investigator: 藤原 英樹 北海学園大学, 工学部, 教授 (10374670)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000); Fiscal Year 2020: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000); Fiscal Year 2019: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 表面凹凸構造 / ランダムレーザー / レーザー誘起表面周期構造 / 窒化ガリウム / レーザープロセス

Outline of Research at the Start

本課題では、これまでのレーザープロセスによるマクロな構造の形状やサイズの制御だけでなく、レーザー照射時の加熱効果やアブレーションなどの影響をも考慮することで、結晶性の改善や意図的な欠陥構造の導入を試みた新しい手法の開発を行う。この成果により、マクロな光学特性の改善のみならず、欠陥や色中心の意図的な導入による発光・導電特性の改善を同時に実現し、新規波長域での低しきい値レーザー発振の誘起を試みる。また、半導体表面欠陥は、光触媒やバイオセンサ、色中心などの化学反応を誘起する反応点としての活用も期待されており、レーザープロセスにより作製した不規則構造を利用した新規な光デバイス応用展開に挑戦する。

Outline of Annual Research Achievements

昨年度に行なったレーザー誘起表面凹凸作製法を用いたGaAs基板の表面凹凸を利用した近赤外ランダムレーザー作製に関する研究を継続し、今年度は、ランダムレーザーの低しきい値化を実現するためのレーザー照射条件探索を行なった。パルスレーザー（532 nm, 700 ps, 5 kHz）の照射強度・時間を変えながら表面構造を作製し、そのレーザー発振特性を評価したところ、高強度の場合には短時間照射時にしきい値が低く、低強度の場合には長時間照射が必要となる傾向が明らかとなった。さらにレーザー発振スペクトル測定の際、高強度・短時間照射で作製した構造ではレーザー発振が安定せず、比較的低強度・長時間照射では安定したレーザー発振が確認できた。これらの構造の電子顕微鏡観察を行ったところ、高強度・短時間照射ではレーザー発振測定前後で構造が変化し、低強度・長時間照射で作製した構造は変化しないことが分かった。レーザー誘起表面周期構造の先行研究では、照射パルス数の増大により周期構造が安定に形成されることが報告されており、低強度・長時間照射により安定な構造が形成されることで、安定なレーザー発振が実現できたものと考えられる。この成果と既に報告しているGaN基板上でのUVランダムレーザー発振から、本手法が様々な基板に適用可能なランダムレーザー作製法として利用可能であることが明らかとなった。
また、レーザープロセスによるデバイス作製に関連し、アルコールCVD法の先行研究を基に、エタノール中のNi基板のレーザー加熱を利用した局所的なグラファイト合成法の開発も行った。照射条件の最適化により、レーザー照射跡においてのみグラファイトに特有のD、G、2Dバンドのラマンピークを示す構造の合成に成功した。本手法により、基板の局所レーザー加熱によって照射箇所に選択的に炭素材料を作製できることを示した。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Optical selection and sorting of nanoparticles according to quantum mechanical properties (2021)
  • Author(s): Fujiwara Hideki、Yamauchi Kyosuke、Wada Takudo、Ishihara Hajime、Sasaki Keiji
  • Journal Title: Science Advances Volume: 7 Issue: 3 Pages: 9551-9551
  • DOI: 10.1126/sciadv.abd9551
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Photothermal energy conversion in plasmonic nanoantennas as a new path for the local growth of ZnO in nanophotonic devices (2021)
  • Author(s): C. L. Pin, H. Fujiwara, T. Suzuki, K. Sasaki
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 11696 Pages: 15-15
  • DOI: 10.1117/12.2577176
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Proposed method for highly selective resonant optical manipulation using counter-propagating light waves (2020)
  • Author(s): Wada Takudo、Fujiwara Hideki、Sasaki Keiji、Ishihara Hajime
  • Journal Title: Nanophotonics Volume: 9 Issue: 10 Pages: 3335-3345
  • DOI: 10.1515/nanoph-2020-0072
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multicolour photochromic fluorescence of a fluorophore encapsulated in a metal?organic framework (2020)
  • Author(s): Hirai Kenji、Kitagawa Taisei、Fujiwara Hideki、Pirillo Jenny、Hijikata Yuh、Inose Tomoko、Uji-i Hiroshi
  • Journal Title: Chemical Communications Volume: 56 Issue: 67 Pages: 9651-9654
  • DOI: 10.1039/d0cc03624b
  • NAID: 120007145359
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Photothermal energy conversion in plasmonic nano gap antennas: application to localized ZnO growth for nanophotonics (2020)
  • Author(s): Pin Christophe、Fujiwara Hideki、Suzuki Tatsuro、Sasaki Keiji
  • Journal Title: Proceedings of SPIE Volume: 11522 Pages: 1152203-1152203
  • DOI: 10.1117/12.2573518
• [Journal Article] ナノサイズの光で金属 - 半導体ハイブリッド構造を作製 (2020)
  • Author(s): 藤原英樹
  • Journal Title: 月間JETI Volume: 68 Pages: 15-17
• [Journal Article] Localized ZnO Growth on a Gold Nanoantenna by Plasmon-Assisted Hydrothermal Synthesis (2020)
  • Author(s): H. Fujiwara,T. Suzuki,C. L. Pin and K. Sasaki
  • Journal Title: Nano Letters Volume: 20 Issue: 1 Pages: 389-394
  • DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04073
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Optical transport of fluorescent diamond particles inside a tapered capillary (2019)
  • Author(s): C. L. Pin,R. Otsuka,H. Fujiwara and K. Sasaki
  • Journal Title: EPJ Web of Conferences Volume: 225 Pages: 16002-16002
  • DOI: 10.1051/epjconf/201921516002
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Proposed method of single-particle absorption measurement based on optical transport at solid-liquid interface (2019)
  • Author(s): T. Wada and H. Ishihara
  • Journal Title: Proc. SPIE 11141, Optical Manipulation and Structured Materials Conference Volume: 1114101 Pages: 1114101-34
  • DOI: 10.1117/12.2535563
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] プラズモン場を用いたナノ粒子操作 (2019)
  • Author(s): 藤原 英樹、クリストフ パン、笹木 敬司
  • Journal Title: 光アライアンス Volume: 7 Pages: 1-4
  • NAID: 40021950949
• [Journal Article] ナノ粒子の光マニピュレーション (2019)
  • Author(s): 藤原 英樹、パン クリストフ、笹木 敬司
  • Journal Title: 光技術コンタクト Volume: 56 Pages: 23-30
• [Presentation] レーザー誘起表面凹凸形成法を利用した外部磁場応答ランダムレーザーの開発 (2021)
  • Author(s): 藤原英樹、海住英生
  • Organizer: レーザ学会学術講演会第41回年次大会
• [Presentation] レーザープロセス技術を利用した新奇ランダムレーザー光源作製法の開発 (2021)
  • Author(s): 藤原英樹
  • Organizer: 新学術領域研究 特異構造の結晶科学 オンライン成果報告会
• [Presentation] 局所レーザー加熱を用いたNi基板上へのグラファイト膜の選択合成 (2021)
  • Author(s): 藤原英樹、弥勒院達紀、大橋由梨、海住英生、平井健二、雲林院宏
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Photothermal energy conversion in plasmonic nanoantennas as a new path for the local growth of ZnO in nanophotonic devices (2021)
  • Author(s): Christophe Pin, Hideki Fujiwara, Tatsuro Suzuki, Keiji Sasaki
  • Organizer: SPIE Photonics West
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of semiconductor random lasers using a laser-induced surface roughness (2021)
  • Author(s): Hideki Fujiwara
  • Organizer: The 8th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザー誘起表面凹凸を利用した近赤外ランダムレーザーの作製 (2020)
  • Author(s): 藤原 英樹
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] レーザープロセスを利用したランダムレーザー作製・制御技術の開発 (2020)
  • Author(s): 藤原英樹
  • Organizer: 電子科学研究所共同研究拠点事業講演会
  • Invited
• [Presentation] 金サブミクロン粒子の局所レーザー加熱を用いた空間選択的なZnOロッドアレイの作製 (2020)
  • Author(s): 辻 剛志、植山 大将、小椋 真輔、藤原 英樹、笹木 敬司、菊池 裕嗣
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第40回年次大会
• [Presentation] 表面凹凸ランダムレーザーの低しきい値化に関する検討 (2020)
  • Author(s): 藤原 英樹
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第40回年次大会
• [Presentation] プラズモン支援水熱合成による酸化亜鉛ー金ナノハイブリッド構造の作製 (2020)
  • Author(s): 藤原 英樹、パン クリストフ、笹木 敬司
  • Organizer: 電子材料研究会、甲南大学ネットワーク東京
• [Presentation] レーザー誘起表面凹凸を利用した外部磁場制御ランダムレーザーの作製 (2020)
  • Author(s): 藤原 英樹，川口翔平， 米川大樹，海住 英生
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Optical propulsion of fluorescent diamonds inside a tapered capillary (2019)
  • Author(s): Christophe Pin, Ryohei Otsuka, Hideki Fujiwara, Keiji Sasaki
  • Organizer: The 6th Optical Manipulation Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical Transport of Fluorescent Diamond Particles inside a Tapered Capillary (2019)
  • Author(s): Christophe Pin, Ryohei Otsuka, Hideki Fujiwara, Keiji Sasaki
  • Organizer: EOS Optical Technologies: Optofluidics and Manufacturing, Tolerancing, and Testing of Optical Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Localized growth of ZnO on gold nano-antennas for nanophotonic applications (2019)
  • Author(s): Christophe Pin, Hideki Fujiwara, Tatsuro Suzuki, Keiji Sasaki
  • Organizer: The 4th A3 Metamaterials Forum 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Shaping Poynting vectors for optical manipulation of nanoparticles (2019)
  • Author(s): Kenji Setoura, Hiroki Aikawa, Hideki Fujiwara, Keiji Sasaki
  • Organizer: The International Symposium on Plasmonics and Nano-photonics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] レーザープロセス技術を利用した新奇ランダムレーザー光源作製法の開発 (2019)
  • Author(s): 藤原 英樹
  • Organizer: 新学術領域研究特異構造の結晶科学 第4回領域全体会議
• [Presentation] ランダムレーザーの作製・制御技術の展開 (2019)
  • Author(s): 藤原 英樹
  • Organizer: 高密度励起ナノ・マイクロ光材料研究会 スタートアップ集会
  • Invited
• [Presentation] 最近の研究～レーザープロセスを用いた新奇構造作製~ (2019)
  • Author(s): 藤原 英樹
  • Organizer: 第5回 物質と光作用シンポジウム
• [Presentation] 磁性粒子混合ランダムレーザーの外部磁場依存性 (2019)
  • Author(s): 藤原 英樹、海住 英生
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] ポインティングベクトル制御による微粒子の光マニピュレーション (2019)
  • Author(s): 瀬戸浦 健仁、相川 大貴、藤原 英樹、笹木 敬司
  • Organizer: OCU先端光科学シンポジウムーナノフォトニクスが切り拓く分子運動・化学反応制御の探求ー
• [Presentation] レーザープロセス技術を利用した新奇ランダムレーザー光源作製法の開発 (2019)
  • Author(s): 藤原 英樹
  • Organizer: 新学術領域研究 特異構造の結晶科学 第5回領域全体会議
• [Book] ナノファイバーの 製造・加工技術と応用事例 (2019)
  • Author(s): 藤原英樹、笹木敬司（第9章9節担当）
  • Total Pages: 483
  • Publisher: 技術情報協会
  • ISBN: 9784861047657
• [Remarks] 個人のページ
  • URL: https://sites.google.com/view/hfujiwara/
• [Remarks] ナノ粒子の光輸送・選別に関するプレスリリース
  • URL: https://www.hgu.jp/info/news/20210118-01.html
• [Remarks] プレスリリースの記事
  • URL: http://ex-press.jp/lfwj/lfwj-news/lfwj-science-research/37798/
• [Remarks] プレスリリースの記事
  • URL: https://optronics-media.com/news/20210115/71529/
• [Remarks] 個人ページ
  • URL: https://sites.google.com/view/hfujiwara
• [Remarks] プラズモン水熱合成法のプレスリリース
  • URL: https://www.hgu.jp/info/ed-research/20200121-02.html
• [Remarks] プレスリリースの記事
  • URL: https://dempa-digital.com/article/42601
• [Remarks] プレスリリースの記事
  • URL: http://www.optronics-media.com/news/20200123/62520/