2015 Fiscal Year Research-status Report
ナノ・マイクロ構造を付与したガラス微小球レーザーの作製と高効率指向性発振
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15K20993
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
岸 哲生 東京工業大学, 理工学研究科, 助教 (90453828)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 微小光学素子 / ガラス微小球 / Whispering gallery mode / リソグラフィ / レーザー / 回折格子 / テルライトガラス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リソグラフィ技術を基にした微細加工により、直径数十μmのテルライトガラス微小球レーザーの表面に光の波長程度の周期構造を持った回折格子を付与できることを確認した。電磁波解析シミュレーションにより、ナノ構造およびマイクロ構造を付与することでガラス微小球内部に誘起される共振モードの変化を明らかにした。
レーザーホスト材料として優れた特性を持つテルライトガラスの微細加工のために種々の手法を検討した。その中で、電子線リソグラフィとKrイオン物理エッチングにより光の波長程度の微細加工が可能であることを見出した。この手法により平面基板表面に周期1.6μm, 深さ20nmのラインアンドスペースを作製し、この試料が透過型回折格子として機能することを確認した。さらに、我々が開発したレーザー局所加熱法により作製したNd3+添加テルライトガラス微小球レーザーの表面に同じ手法で微細加工を施し、同様の回折格子が形成できることを明らかにした。
ナノ構造およびマイクロ構造の付与が微小球レーザーの励起・発振特性に与える影響を調査するために、FDTD（Finite differential time domain：時間領域差分）法、FEM（Finite element method: 有限要素法）およびFIT（Finite Integration Technique: 有限積分法）を用いた電磁波解析を行った。適切なサイズ・形状に制御された回折格子を付与することでガラス微小球は特定方向に強い出力光を示すことがわかった。また、マイクロメートルサイズの気泡構造を付与したガラス微小球では、気泡構造によりWGM（Whispering Gallery Mode）の縮重が解け、広帯域での励起・発振が実現できることが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、ガラス微小球レーザーにナノ・マイクロ構造を付与することで特異な発振特性が得られることを、実験および理論的に実証することを目標としている。
本年度の研究では、微小球状光共振器に対する光取り出し構造として、光の波長程度の周期構造を有する回折格子をガラス球の表面に作製した。また、球の表面または内部へのナノ・マイクロ構造の付与が、球内の光共振モードに与える影響を調査し、適切な構造の付与により共振モードの広帯域化および特定方向への光取り出しが可能であることが明らかになった。
マイクロ構造（気泡）を付与したガラス微小球については、シミュレーションにより光共振特性を解析し、従来の球状光共振器に比べて幅広い波長で効率的な励起が可能となることを明らかにした。
これまでのところ、実験的に微細構造を付与したガラス微小球レーザーの作製を行うと同時に、理論的にその発振特性の解析を進めており、おおよそ順調に進展していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はシミュレーションで得られる結果を参考にしながら、高い光閉じ込め効率を維持しつつ放射モードと結合できるナノ・マイクロ構造を調査し、実際に高い効率でレーザー光を取り出すことが可能な付加構造を作製する。ガラス微小球の作製法はレーザー局所加熱法を使用し、微小球表面への加工手法としては本年度に見出した電子線リソグラフィとKrプラズマ処理を利用する。
作製したガラス微小球レーザーの発振特性を実測して、シミュレーションで得られる結果と照らし合わせることで、微小球レーザー内部でどのように光が導波し球の外部へ放射されるのかを正確に理解する。得られた知見をもとに、さらに効率的で扱いやすい光共振器構造を提案・実証する。
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