| 研究課題/領域番号 |
19J20134
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
森田 遼平 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| キーワード | 短パルスレーザ / 半導体レーザ / フォトニック結晶 / フォトニック結晶レーザ / 可飽和吸収効果 |
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| 研究実績の概要 |
パルス幅ピコ秒オーダーの短パルス・高ピーク出力なレーザは、需要の高まるLiDARなどのリモートセンシングや２光子吸収を用いた蛍光観察、金属材料などのレーザ微細加工など多岐にわたる技術へ応用されている。このレーザ光源を小型な半導体レーザ単体で実現できれば、装置の大幅な小型化・低コスト化が望めるが、高出力化に限界があるため困難であった。本研究では、２次元フォトニック結晶を利用することで、この限界の克服を可能としたフォトニック結晶面発光レーザにおいて、上記応用を可能とするパルス幅数十ピコ秒、ピーク出力100W級の短パルス・高ピーク出力動作の実現を目的としている。
本年度は、フォトニック結晶レーザの２次元フォトニック結晶共振器に２次元的な可飽和吸収領域を導入することで、短パルス発振時に重要となる多重量子井戸の可飽和吸収効果を増強するとともに、ビーム品質や過渡応答特性の劣化を招く高次モード発振を抑制し単一モード性を向上させることを可能とするデバイスの設計を行い、実際に作製を行った。その結果、フォトニック結晶レーザの高ビーム品質な特長を維持しつつ、パルス幅30ピコ秒程度、ピーク出力20W級の短パルス動作を実現した。これにより、フォトニック結晶レーザのさらなる高ピーク出力化に繋がる大面積単一モード動作が可能とするレーザ共振器構造の設計指針を明確とするとともに、2次元可飽和吸収領域によって発振モードの選択が可能であることを示した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
フォトニック結晶レーザの短パルス・高ピーク出力動作を実現するためには、単一モード動作を維持して、短パルス発振時に重要となる可飽和吸収効果を増大させることが重要である。本年度は、２次元フォトニック結晶共振器に２次元的な可飽和吸収領域を導入することで、高次モードの発振の抑制と可飽和吸収効果の増強を同時に可能とするレーザ共振器構造を設計・作製し、パルス幅30ps程度、ピーク出力20W級の短パルス動作を実現した。この結果は、さらなる高ピーク出力化に繋がる大面積単一モード動作が可能なレーザ共振器構造の設計指針を明確とするとともに、2次元可飽和吸収領域を用いてモード選択が可能であることを示す成果といえる。
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| 今後の研究の推進方策 |
今後は、フォトニック結晶レーザの短パルス動作のさらなる高ピーク出力化を狙い、パルスエネルギー増大のための発振領域の大面積化、および、ピーク出力向上のための可飽和吸収効果の増強を行うべく、２次元可飽和吸収領域と２次元フォトニック結晶共振器の最適化を行う。具体的には、２次元可飽和吸収領域について、可飽和吸収効果を高めつつ大面積においても単一モード選択性を向上できる構造の探索を行う。２次元フォトニック結晶共振器構造については、より大面積単一モード動作に最適化した二重格子構造の導入や空間ヘテロ構造の導入について検討する。また、任意のタイミングで単一の短パルスを得るために、短時間で電流を注入して短パルスを得る利得スイッチング動作についても、検討を行う。
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