2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of structure-designable random laser and its characterization
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17K06388
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
岡本 卓 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (40204036)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ランダムレーザー / 格子状ランダム媒質 / 多重散乱 / 時間領域差分法 / 光硬化性樹脂 / 最適化手法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
設計可能なランダムレーザー媒質の実現を目指し、まずはシミュレーション実験として、格子状2次元ランダム増幅媒質の発光特性を時間領域差分 (FDTD) 法を用いて調査した。増幅媒質はレーザー色素をドープしたガラスや樹脂（屈折率1.5）を想定し、その中に気孔（屈折率1.0）をランダムに分散させた。媒質サイズを4×4マイクロメートル、ひとつの格子（散乱体）サイズを0.2マイクロメートルに固定し、充填率を5～50%と変化させて発光スペクトルを計算した。ひとつの充填率に対し、散乱体配置が異なる複数の媒質を用意し、それらの最大スペクトルピーク強度、平均スペクトル強度、スペクトルピーク数などを求めた。その結果、(1) 最大スペクトルピーク強度は散乱体充填率20%の媒質で最大となる、(2) 平均スペクトル強度およびスペクトルピーク数は5%および10%で最大となり、充填率増加とともに減少する、ことが分かった。以上より、ピーク強度および平均強度がともに高い散乱体充填率10%の媒質を以後の調査に用いることとした。
次に、単一の発光スペクトルピークを示すランダムレーザー媒質の設計を試みた。指標として、最大強度ピークと2番目に高いピークの強度比（ピーク強度比）を用いた。手順は、(1) 最初に散乱体配置の異なる5個の媒質を作り、その中から一番ピーク強度比の高いものを選ぶ、(2) 次に、その中の散乱体1個を1マス（0.2マイクロメートル）上下左右どちらかにずらし、ピーク強度比が上昇した場合は新たな位置に散乱体を固定する、(3) この作業をすべての粒子で繰り返す、とした。この手法により、単一発光ピークスペクトルを発生する媒質を得ることに成功した。
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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
昨年度のランダムレーザー媒質の基本構造設計に続き、今年度は本研究の主目的であるランダム構造最適化の段階に進んだ。
昨年度の研究結果より、媒質全体のサイズは40×40マイクロメートル未満でも良いことが示唆されたため、サイズを一桁小さくしたところ、それでも十分にランダムレーザー発振することが確認された。これにより、時間領域差分 (FDTD) 法を用いたシミュレーションにかかる時間が短縮され、Direct binary search (DBS) 法を単純化したものを媒質設計に用いて10日程度で結果を出すことが可能になった。現在、より現実に近い状況を考え、実際の構造作製の際に生じる散乱体の大きさや位置の誤差が、発光スペクトルへ及ぼす影響を調べている。また、媒質全体の伸び縮みが発光スペクトルにどのような変化を与えるのかも調査中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
DBS法は探索が進むにつれて対象が徐々に目標に近づいていく場合において有効である。しかし、今回ランダムレーザー媒質の設計に用いたところ、スペクトル形状は必ずしも徐々に目標に近づくわけではなく、大きく変動することが明らかとなった。これは、レーザー発振が散乱体全体の位置関係に依存しているためと思われる。このような場合でもできるだけ短時間で最適化を行う手法を探求していく。同時に、発光方向の制御についても検討を始める。また、実用化を考えた場合、上で述べた誤差の影響をできるだけ小さくする媒質構造を検討する（例えば、散乱体の形状を変えるなど）必要性が出てくるかも知れない。
さらに、光硬化性樹脂に構造を書き込む実験系が揃いつつあることから、2次元格子状ランダム構造を実際に作製するのに適した手法についても、試行実験を行いながら検討していく。
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Research Products
(3 results)
