フォノンイメージングによる非線形光学材料評価システムの開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13554009
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 足立 智 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (10221722)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 克彦 村田製作所, 技術開発本部, 主席研究員 ; 戸田 泰則 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00313106)
• Keywords: イメージング / 超音波 / フォノン / 可視化 / 量子構造 / 結晶欠陥

Research Abstract

本研究は光学フォノンと音響フォノン(超音波)の可視化技術を利用し、その伝播過程を映像化することにより、ドメイン反転前の基板結晶内の欠陥等による散乱の検出やドメイン反転終了後の結晶評価を目的としている。本年度は誘電体タンタル酸リチウムLiTaO_3を用いて、c面より光を入射し光学フォノン発生・伝播過程のイメージングを行った。数ミリから1センチ程度の直径のレーザーパルスを時間遅れをつけて照射し、フォノン波束による回折光で波束の像を形成できる。フォノンは屈折率のみを変化させている位相物体であるため、光強度にしか反応しない目やCCDカメラ等では見えないが、位相情報を振幅情報に変換する工夫をしてやると発生から伝搬、干渉などの過程をテレビを見るように画像化することができる。さらに考案した特殊な光学配置において、第1パルス対で選択励起したフォノン(ポラリトン)を第2パルスで増幅したり、強制的に消滅させたりする過程をリアルタイムで画像化ことに成功した。すなわち時間遅れを伴った光パルスを用いて、フォノンどうしの干渉および光パルス間の時間差による位相の違いを利用してフォノン制御が可能であることを示したことになる。得られた画像データをフーリエ変換することにより、励起されたフォノンがどの程度の波数をもち、伝播過程でどのように分散・減衰していくかがわかる。実験ではフォノン波束が伝播中に分散(伝播速度の波数依存性)するため、完全に波束を消去することは出来ていないが、第2パルス対に用いるレーザーパルスの形を工夫することにより、励起したフォノンを完全にうち消すような干渉を起こすことが可能であると考えられる。この成果はフォノン分光学に大きく貢献するだけでなく、フォノンのコヒーレント制御に新しい画期的な方向性を与えるものと考えられる。

Research Products

• [Publications] S.Adachi: "Observation of population transfer to dark exciton states by using spin-diffracted four-wave mixing"Journal of Applied Physics (accepted). (印刷中). (2003)
• [Publications] S.Muto: "Quantum gates using tunneling electron spins of a quantum-dot chain"Physica E. 13. 616-619 (2002)
• [Publications] O.Ikeuchi: "Scattering processes in exciton-biexciton system of GaN"Proceedings of 26th International Conference on the Physics of Semiconductors (Edinburgh, UK, 2002). 2. 94-94 (2002)
• [Publications] K.Hazu: "Optical nonlinearities and phase relaxation of excitons in GaN"Physical Review B. 65. 195202-195208 (2002)
• [Publications] 足立 智: "コヒーレントフォノンの励起・制御と応用"電気学会誌. 122. 744-745 (2002)
• [Publications] R.Yagisawa: "Photoluminescence from zero-dimensional states in a single InAs mono-layer"Extended abstracts of The 8th Symposium on the Physics and Application of Spin-Related Phenomena in Semiconductors. 46-48 (2002)
• [Publications] O.Ikeuchi: "Observation of population transfer to dark exciton states by using four-wave mixing with spin grating"Extended abstracts of The 8th Symposium on the Physics and Application of Spin-Related Phenomena in Semiconductors. 1. 42-45 (2002)
• [Publications] S.Maki: "Biexciton formation and origin of the subsquare PL in a quantum well"Extended abstracts of The 8th Symposium on the Physics and Application of Spin-Related Phenomena in Semiconductors. 1. 49-52 (2002)
• [Publications] S.Maki: "Biexciton formation and X^<(5)> signature in four-wave-mixing signal"Proceedings of The 9-th Interbational Workshop on Femtosec-ond Technology (Tsukuba, Japan). 1. 143-143 (2002)
• [Publications] S.Adachi: "Scattering processes and dynamics of exciton-biexciton system in GaN"Ultrafast Phenomena in Semiconductors VIII in Photonic West (San Jose, USA, 2003) (invited). (印刷中). (2003)
• [Publications] S.Adachi: "Effects of spin-dependent interaction and formation of hetero-biexciton in GaN"Proceedings of The 9-th Interbational Workshop on Femtosec-ond Technology (Tsukuba, Japan). 1. 142-142 (2002)