Highly efficient and high-power composite lasers by use of room-temperature bonding

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K05081
• Research Institution: Chuo University
• Principal Investigator: 庄司 一郎 中央大学, 理工学部, 教授 (90272385)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 複合構造レーザー / 常温接合 / ダイヤモンド / マイクロチップレーザー

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，高排熱材料であるダイヤモンドとレーザー結晶との異種材料複合構造レーザーを開発することを目的としている．特に，複合構造の接合界面にレーザー光に対する無反射もしくは高反射のコーティング層を挿入した構造を常温接合によって実現することで，複合構造レーザーの高出力化や高機能化を目指す点がポイントである．昨年度は，複合構造高出力マイクロチップレーザー開発の予備実験として，厚さ0.3 mmのYb:YAG結晶の両端面に高反射コーティングを施し，その両側に厚さ3 mmの無添加YAGを貼り合わせた構造を常温接合により作製した．しかしながら，Yb:YAG結晶の表面平坦性が悪く，接合が面全体でなく部分的なものにとどまった．また，レーザー発振はしたものの低出力にとどまり，単一縦モードは得られなかった．
そこで今年度は，単一縦モード動作を実現すべく，Yb:YAG結晶の厚さを0.1 mmにし，その際，レーザー結晶加工の専門業者に依頼し平坦性の高い高精度研磨を行った．また，コーティングはYb:YAGではなく無添加YAG結晶に行い，コーティングプロセス中にYb:YAG結晶の平坦性が悪化するリスクを排除した．そして，用意した試料を用い，常温接合プロセスの最適化を行った．
その結果，結晶全面にわたり高品質に接合することに成功した．さらに，レーザー発振にも成功した．今後は入出力特性，縦モード特性を含め，レーザー発振特性の詳細な評価を行う．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

厚さ0.1 mmのYb:YAG結晶を用いたマイクロチップ複合構造を作製するためのプロセスの最適化に時間を要し，レーザー発振特性の詳細な評価までには至らなかったため．

Strategy for Future Research Activity

厚さ0.1 mmのYb:YAG結晶を用いたマイクロチップ複合構造の作製プロセスを確立することができたため，複数のデバイスを作製すると同時に，レーザー発振特性の詳細な評価を進める．

Causes of Carryover

2020年3月に開催予定だった国際学会が新型コロナウィルスの影響で中止となり，参加するための旅費を執行しなかったため．

Research Products

• [Journal Article] Evaluation of eight nonlinear crystals for phase-matched Terahertz second-order difference-frequency generation at room temperature (2020)
  • Author(s): Cyril Bernerd, Patricia Segonds, Jerome Debray, Jean-Francois Roux, Emilie Herault, Jean-Louis Coutaz, Ichiro Shoji, hiroaki Minamide, Hiromasa Ito, Dominique Lupinski, Kevin Zawilski, Peter Schunemann, Xinyuan Zhang, Jiyang Wang, Zhanggui Hu, and Benoit Boulanger
  • Journal Title: Optical Materials Express Volume: 10 Pages: 561-576
  • DOI: 10.1364/OME.383548
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Fabrication of Quasi-phase-matching Stacked Large-aperture GaAs Plates Using the Room-temperature-bonding Technique for Mid-IR high-power Wavelength Conversion (2020)
  • Author(s): Ichiro Shoji
  • Organizer: Mid-Infrared Coherent Sources conference 2020
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 常温接合を用いたGaAsプレート多数枚積層擬似位相整合中赤外波長変換デバイスの高品質化 (2020)
  • Author(s): 谷本 里香，高橋 勇輝，庄司 一郎
  • Organizer: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 常温接合を用いた固体レーザおよび波長変換デバイスの開発 (2020)
  • Author(s): 庄司 一郎
  • Organizer: 日本学術振興会接合界面創成技術第191委員会第25回研究会
  • Invited
• [Presentation] Large-aperture quasi-phase-matching stacks of multiple GaAs plates fabricated with the room-temperature bonding for high-power wavelength conversion in mid-IR region (2019)
  • Author(s): Ichiro Shoji
  • Organizer: The 27th International Conference on Advanced Laser Technologies
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 定比組成LiNbO3 及びLiTaO3の屈折率温度依存性精密測定Ⅳ (2019)
  • Author(s): 岩本 祐輝，川島 潤也，庄司 一郎，古川 保典
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Development of Composite Lasers and Stacked Wavelength-Conversion Devices by use of the Room-Temperature-Bonding Technique (2019)
  • Author(s): Ichiro Shoji
  • Organizer: International Summit on Optics, Photonics, and Laser Technologies
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Quasi-phase-matched GaAs stacks for midinfrared wavelength conversion fabricated with the room-temperature bonding (2019)
  • Author(s): Ichiro Shoji
  • Organizer: The 8th Advanced Lasers and Photon Sources (ALPS 2019)
  • Int'l Joint Research / Invited