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低複屈折性常誘電体結晶を用いた微小共振器型遠UV-C第二高調波発生デバイスの開発

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ2129
補助金の研究課題番号 22J10864 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分30010:結晶工学関連
研究機関大阪大学

研究代表者

南部 誠明  大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード第二高調波発生 / SHG / 微小共振器 / DUV / VUV / SBO / GaN / AlN / レーザ / VCSEL
研究開始時の研究の概要

波長230 nm近傍の深紫外(DUV)光は,皮膚最表面の角質層で吸収されるため殺菌・消毒を目的として人体への直接照射が可能である。DUV光源の有力な候補として,第二高調波発生(SHG)デバイスが挙げられるが,小型,高効率な波長変換素子を実現可能なSHG結晶と位相整合方式の組み合わせがない。そこで我々は,材料の強誘電性や複屈折性に頼らない微小共振器位相整合方式を提案し,低複屈折性常誘電体結晶であるSrB4O7を用いた波長234 nmのDUV SHGに成功した。現在は、更に波長の短い真空紫外(VUV)領域でのSHGや、半導体レーザとの集積に向けて研究を進めている。

研究実績の概要

本年度は、深紫外(DUV)および真空紫外(VUV)領域での実用的な微小共振器型第二高調波発生(SHG)デバイスの実現に向けた大きな一歩として、a面GaNを用いた垂直微小共振器型SHGデバイスによる定量的な青色SHG特性の評価およびSrB4O7(SBO)垂直微小共振器型SHGデバイスによる波長199 nmのVUV SHG実証を行った。これまでの研究で設計および作製したSHGデバイスは連続波(CW)レーザによる励起を前提として設計、作製されているが、実際のSHG実証実験では基本波共振波長を速やかに見つけるために、励起光源にパルスレーザを使用した。CW励起を前提としたデバイスは基本波の波長許容幅が狭く、広いスペクトル幅を有するパルスレーザでは効率良くデバイスを励起できない。また、基本波がデバイス内部で高強度な定常状態になる前に、基本波のパルス照射が終わってしまう。そこで、私はパルスレーザ励起下でのデバイス構造の最適化手法を新規に提案し、デバイスの波長変換効率の実測を含めた定量的な光学特性の評価に成功した。GaNを用いた青色SHGに関して、実測した規格化波長変換効率は0.15%/Wであり、理論効率である0.20%/Wと高い精度で一致した。また、発生したSH波はガウシアンビームに近いビーム形状をしており、本デバイスから発生するSH波のビーム品質が他の複屈折位相整合方式の波長変換結晶から生じるSH波と比較して優れることを確認した。SBOを用いたVUV SHGに関して、実測した規格化波長変換効率は2.6%/Wであり、本デバイスの社会実装に向けた大きな成果を得た。本研究課題全体を通して開発した可視領域、DUVおよびVUV領域で使用可能な微小共振器型SHGデバイスは、SHGと和周波発生(SFG)を組み合わせて構成される複雑なシステム構成の既存の全固体VUV光源を置き換える可能性を有している。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (11件)

すべて 2024 2023 2022

すべて 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 2件、 招待講演 5件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Second harmonic generation from a-plane GaN vertical monolithic microcavity pumped with femtosecond laser2023

    • 著者名/発表者名
      Nambu Tomoaki、Nakahara Tomohiro、Yasuda Yuma、Fujiwara Yasufumi、Tonouchi Masayoshi、Uemukai Masahiro、Tanikawa Tomoyuki、Katayama Ryuji
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 16 号: 7 ページ: 072005-072005

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ace242

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] DUV coherent light emission from ultracompact microcavity wavelength conversion device2022

    • 著者名/発表者名
      T. Nambu, T. Yano, S. Umeda, N. Yokoyama, H. Honda, Y. Tanaka, Y. Maegaki, Y. Mori, M. Yoshimura, S. Kobayashi, S. Ichikawa, Y. Fujiwara, R. Ishii, Y. Kawakami, M. Uemukai, T. Tanikawa, and R. Katayama
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 30 号: 11 ページ: 18628-18637

    • DOI

      10.1364/oe.457538

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] 超短パルスレーザ励起微小共振器型第二高調波発生デバイス2024

    • 著者名/発表者名
      南部 誠明, 中原 智裕, 安田 悠馬, 藤原 康文, 斗内 政吉, 上向井 正裕, 谷川 智之, 片山 竜二
    • 学会等名
      第71回応用物理学会春季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 超短パルスレーザー励起におけるGaN垂直微小共振器からの青色第二高調波発生2024

    • 著者名/発表者名
      南部 誠明, 上向井 正裕, 谷川 智之, 片山 竜二,
    • 学会等名
      2024年電子情報通信学会総合大会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 超短パルスレーザ励起における a 面 GaN 垂直微小共振 器デバイスからの 428 nm 第二高調波発生2023

    • 著者名/発表者名
      南部 誠明, 中原 智裕, 安田 悠馬, 藤原 康文, 斗内 政吉, 上向井 正裕, 谷川 智之, 片山 竜二
    • 学会等名
      第 84 回応用物理学会秋季学術講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 微小共振器型波長変換デバイスを用いた固体真空紫外光源の開発2023

    • 著者名/発表者名
      南部 誠明
    • 学会等名
      日本学術会議総合工学委員会ICO分科会主催の公開シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] SrB4O7微小共振器型深紫外第二高調波発生デバイス2023

    • 著者名/発表者名
      南部誠明
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第43回年次大会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Blue Second Harmonic Generation from GaN Monolithic Microcavity2022

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Nambu
    • 学会等名
      International Workshop on Nitride Semiconductors 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 234 nm deep ultraviolet second harmonic generationfrom SrB4O7 microcavity2022

    • 著者名/発表者名
      Tomoaki Nambu
    • 学会等名
      The 12th International Conference on Photonics and Applications
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] SrB4O7微小共振器を用いた深紫外第二高調波発生2022

    • 著者名/発表者名
      南部誠明
    • 学会等名
      レーザー学会第564回研究会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [産業財産権] 第二高調波発生素子及び光源装置2023

    • 発明者名
      片山、谷川、上向井、森、吉村、南部、吉池、佐藤、十川
    • 権利者名
      片山、谷川、上向井、森、吉村、南部、吉池、佐藤、十川
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2023
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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