2017 Fiscal Year Annual Research Report
磁性ガーネット膜を用いた一体型Ｑスイッチレーザーの高出力化に関する研究
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17J05958
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
森本 凌平 豊橋技術科学大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
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2017-04-26 – 2019-03-31
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| Keywords | Ｑスイッチ / 磁性ガーネット / 磁気光学効果 / レーザー / マイクロチップレーザー / スピントロニクス / パルスレーザー堆積法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Ｑスイッチは，光共振器の内部にＱスイッチと呼ばれる光変調器を挿入し，高速に光の状態を変調することで，光共振器のＱ値をオン・オフする。Ｑ値が低い間はレーザー発振が得られないが，励起されているレーザー結晶内部にはエネルギーが蓄積される。十分な時間が経過したところで高速にＱ値を高くすると，蓄積されたエネルギーが誘導放出によって短時間に放出され，時間的にも空間的にも高密度なパルスレーザー出力を得られる。Ｑスイッチレーザー出力のピーク出力は共振器長に反比例する。Ｑスイッチは光共振器内部に挿入されているため，小型であることが望まれる。しかし，現在実用化されている電気光学素子や音響光学素子を用いたＱスイッチは，結晶長が数センチ以上であり，原理上小型化も難しいという課題がある。
本研究では，薄膜化可能で高速動作もできる磁気光学素子（磁性ガーネット）をＱスイッチとして用いる。また，レーザー結晶にも，ガーネット構造を有するネオジウム置換イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）を用いることで，完全一体型構造の構築を目指す。これにより，既存デバイスの小型化はもちろん，堅牢性も高いため，従来は難しかった車載デバイス等の応用展開も期待できる。特別研究員採用時では，Ｑスイッチの原理実証が完了していた。本年度は，下記①と②を実施した。
①Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を用いた光共振器におけるＱスイッチ評価
②Ｎｄ：ＹＡＧ結晶上の単結晶ガーネット形成プロセス開発
結果，Ｎｄ：ＹＡＧレーザーにおいても磁気光学Ｑスイッチが適用可能であり，またエピタキシャル成長可能であることを示した。よって，完全一体型の磁気光学Ｑスイッチレーザー構築の基礎プロセスの確認・確立を行えたといえる。また，Ｑスイッチレーザーのピーク出力は採用時に比べ一桁程度の向上に成功した。
上記の結果について，査読付き論文１報掲載，１報採録済である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
完全一体型のＱスイッチレーザー構造を実現するため，レーザー結晶上に直接磁性ガーネット膜を形成するプロセス開発に着手した。高品質な磁性ガーネット膜の形成には，同様にガーネット構造を有するレーザー結晶上でエピタキシャル成長を行うことが望ましい。
結晶成長に先立ち，レーザー結晶としてガーネット構造を有するネオジウム置換イットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）結晶を用い，Ｑスイッチ動作の実証および出力特性の評価を行った。結果，磁性ガーネット膜を用いたＱスイッチは，レーザー結晶が異方性・等方性であることを問わず広く応用可能であるという優位性を見出した。また，光学系の改善により，レーザー出力値の大幅な増加を得ている。 Ｎｄ：ＹＡＧ結晶を用いた結晶成長では，多種の磁性ガーネット成膜を行い，エピタキシャル成長が可能であることを確認した。
上記の結果について，査読付き論文を１報掲載，１報採録済であり，非常に順調な進展をみせているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に確立した設計手法や成膜プロセスを用いることで，実際にデバイスの構築・評価を行い，駆動部を含めたパッケージ化および金属加工のデモンストレーションを行うことを目標とする。下記計画に沿い、研究を遂行する。
①高速スイッチ回路の設計開発
小型Ｑスイッチレーザーのデモンストレーションを行ううえで、現在最も大きな構成品である高速スイッチ回路の小型化を行う。高速な光変調を行うため、磁性ガーネット膜の磁化容易軸を膜面直方向に制御し、必要な印加磁界を小さくすることも必要となる。磁性ガーネットの結晶構造中のFeイオンをAlイオンなどに置換することで結晶磁気異方性を制御し、印加磁界の低減が行えることが知られている。更に、永久磁石を用いた磁界アシストによって、高速スイッチ回路によって磁界印加コイルに流す電流量を小さくすることで、システム全体の小型化を図る。
②Ｑスイッチレーザーの完全一体化
レーザー結晶、Ｑスイッチである磁性ガーネット膜、そしてそれらを挟み込む誘電体多層膜を完全に一体化することで、システムの小型化および高堅牢性を実現する。第一年度には、レーザー結晶上における磁性ガーネット膜の結晶成長を確認した。本年度は、磁性ガーネット膜上に部分反射コーティングを施し、現在厚さ5ミリメートルである大型のアウトプットカップラーの小型化を行う。数値解析による光学設計を行い、反射率の制御された誘電体多層膜を構築する。レーザー結晶には、励起波長における高透過コーティング、発振波長におけｋる高反射コーティングを施す。前年度の結晶成長プロセスと合わせることで、完全一体型の磁気光学Ｑスイッチレーザーを実現する。
以上の計画により、駆動部を含めて超小型なＱスイッチレーザーの金属加工デモンストレーションを行う。
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