2021 Fiscal Year Research-status Report

Control of random laser emission using optical trapping

Research Project

Project/Area Number	20K04622
Research Institution	Kyushu Institute of Technology
Principal Investigator	岡本卓九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (40204036)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	横井直倫旭川工業高等専門学校, 機械システム工学科, 准教授 (60353223)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	ランダムレーザー / 光トラッピング / 多重散乱 / レーザー発振制御 / 空間光変調器 / モンテカルロ・シミュレーション
Outline of Annual Research Achievements	今年度は、散乱微粒子径やトラップ領域の数がランダムレーザーの発光特性に及ぼす影響を調査した。エスミール（エタノール68%、水32%）を溶媒としたローダミンB溶液中に酸化チタン粒子（体積充填率0.1、0.2%）を分散させた懸濁液を薄膜状(0.2mm厚)に形成したものを試料とした。その下面より波長405nm、光強度20mWのトラップレーザー光を10×、NA:0.25の対物レンズを通して連続照射した。そして、試料上面より波長532nm、パルス幅10ns、パルスエネルギー 6～7μJの励起光を連続パルス照射した。微粒子は粒径180、250、700nmのものを用いた。その結果、いずれの場合もトラップ光を照射したときに発光スペクトルの最大スパイク強度および平均スパイク強度が上昇した。ただし、スパイク数については特定の傾向は見られなかった。散乱力が弱い700nm粒子でもより微小な粒子同様にランダムレーザー発振することが分かった。次に、空間光変調器(SLM)を用いてトラップ点を1点から2点に増やし、その間隔（91、114μm）や位置を変化させたときの発光特性の違いを調査した。結果として、トラップ点が複数個の場合でも、トラップ光を照射したときに発光スペクトルの最大および平均スパイク強度は高くなり、スペクトル中のスパイク数は平均2倍程度増加することが分かった。トラップ点間隔は114μmでより良好な結果が得られた。単一集光点の場合と比較すると、1点あたりのトラップ力は減少しているにもかかわらず、同程度の発光強度が得られた。これは、2つの微粒子集合領域の間で誘導放出光が往復することにより発光が増強されたためと考えられる。以上、トラップが容易なより大きな微粒子でのランダムレーザー発光が確認できた。さらに、複数トラップ点の配置最適化により発振効率の向上が可能であることが示された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の計画では、最初に「スペックルパターンによる光トラッピング微粒子からのレーザー発振実験」を行う予定であった。しかし、空間光変調器はスペックルパターンを含む、さまざまな光強度パターンを出すことができるため、「空間光変調器による微粒子トラップ用光波パターンの生成」および「設計された光波パターンによる光トラッピング微粒子からのレーザー発振実験」を行うことにした。結果として、(1)指定された複数箇所でのランダムレーザー媒質用微粒子の捕捉は可能である、(2)トラップ用パターンを変化させることでレーザー発振特性を変えることが可能である、ことが明らかとなった。「スペックルパターンによる光トラッピング微粒子からのレーザー発光シミュレーション」については、指定したトラップ箇所に微粒子群を配置して発光シミュレーションを行うプログラムを完成させた。
Strategy for Future Research Activity	弱いトラップ光強度でも捕捉可能な微粒子径でのランダムレーザー発振、およびSLMを用いた複数の集光点でのトラップ粒子によるランダムレーザー発振、の両者が確認できたので、今後は異なる微粒子捕捉パターンで実験を行い、レーザー発振の最適化を目指す。その際、媒質中の色素によるトラップ用青色レーザー光の吸収が予想外に大きく、高強度の蛍光を発するためランダムレーザー発光を覆い隠してしまうという問題点を解決する必要がある。そのため、次年度はトラップ用レーザーを青色レーザーから赤色レーザーに変更する。波長はローダミンBおよび6G色素の吸収が少ない671nmとする。これにより、吸収に伴うレーザー媒質の熱対流も抑えられるはずである。集光点の多点化に対応するため、出力も現在(200mW)よりも高い(800mW)ものとする。シミュレーションについては、(1)新しい光学系のパラメータを用いた光トラッピングのシミュレーション、(2)実際の微粒子の分布状態の確認、(3)(1)と(2)の結果を元にした発光シミュレーション、を実施する予定である。