2021 Fiscal Year Annual Research Report
Short-pulse high-power operation of photonic crystal surface-emitting lasers introducing refractive index gradation
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20H02655
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
井上 卓也 京都大学, 工学研究科, 助教 (70793800)
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2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | フォトニック結晶レーザ / フォトニック結晶 / 短パルス / 半導体レーザ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、フォトニック結晶の２次元共振作用をレーザー発振に利用した面発光型半導体レーザー（フォトニック結晶レーザー：PCSEL）において、屈折率勾配（バンド端周波数勾配）の導入という新たな短パルス・高ピーク出力化の手法を提案し、外部増幅器を用いない単一光源から、高ビーム品質を維持しつつ、パルス幅数10ps未満, ピーク出力100W~1kW級の短パルス・高ピーク出力発振を実現することを目指す。
2021年度は、はじめに、周波数勾配型PCSELの設計のさらなる深化を目的として、前年度に設計した一軸方向にバンド端周波数勾配を有するPCSELにおいて、それと直交する方向の周波数分布を導入した新たな構造の提案を行った。提案構造では、高電流注入時にも基本モードでの安定したパルス発振が維持されやすくなり、高ピーク出力化・高ビーム品質化の両立が可能になることを見出した。次に、上記で設計したデバイスを実際に作製し、ストリークカメラを用いて過渡応答特性の評価を行ったところ、注入電流20Aまで安定したパルス発振が得られ、ピーク出力80W級・パルス幅30ps程度の短パルス・高ピーク出力を実証することに成功した。
また、本研究の最終目標である、ピーク出力100W~1kW級の実現に向けて、分散補償媒質による周波数勾配型PCSELのパルス圧縮動作の数値解析を行った結果、分散補償量と周波数勾配の大きさを適切に調整することで、最短で10ps未満のパルス幅かつ500W以上のピーク出力が実現可能であることを数値計算により明らかにした。さらに、当初計画にない新たな展開として、PCSELに周波数勾配と可飽和吸収領域を同時に導入することで、Qスイッチング効果がさらに増強され、パルス圧縮を行わずとも、ピーク出力200W~1kW級の短パルス動作が実現しうることを数値計算により見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、バンド端周波数勾配の導入という新たな原理によるPCSELの短パルス・高ピーク出力動作の実現を目指しており、研究項目として、(I) 周波数勾配型PCSELの動作特性の解明、(II)周波数勾配型PCSELの作製手法および周波数勾配の評価手法の開発、(III)勾配型PCSELによる短パルス・高出力パルス発振の実証、(IV) さらなる短パルス・高出力化に向けた、勾配型PCSELのパルス圧縮制御の検討、の４項目を設定している。2020年度の時点で、項目(I)(II)を完了し、項目(III)についても短パルス発振の初期実証に成功していたが、2021年度の研究では、PCSELの設計をさらに深化させることにより、作製したデバイスにおいて、ピーク出力80W級・パルス幅30ps程度の短パルス・高ピーク出力を実証することに成功し、項目(III)を１年前倒しで完了することが出来た。本成果は、バンド端周波数分布の導入という新しい概念の導入により、単一チップの半導体レーザーから100Wに迫るピーク出力が得られることを示した点で、学術的にも実用的にもインパクトの大きな成果であると考えられる。また、2021年度の研究開発では、項目(IV)についても検討を開始し、パルス圧縮動作の有効性を数値解析により明確に示すことが出来た。さらに、当初計画にない新たな展開として、PCSELにバンド端周波数勾配と可飽和吸収領域を同時に導入したデバイスの考案に至り、パルス圧縮を行わずとも、ピーク出力200W~1kW級の短パルス動作が実現可能であることをも数値計算により見出した。これは、光源単体での1kW級高ピーク出力・短パルス動作の実現を示唆する結果であり、将来的に半導体レーザーの応用範囲を大きく拡大する可能性がある重要な成果であるといえる。
以上により、全体として本研究課題は当初の計画以上に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の通り、2021年度までに、研究が当初計画以上に進行し、バンド端周波数勾配の導入という新たな原理により、PCSELにおいて、ピーク出力80W級・パルス幅30ps程度の短パルス・高ピーク出力発振を実証することに成功した。また、パルス圧縮による大幅なピーク出力増強の可能性を数値計算で明らかにするとともに、当初計画にない新たな展開として、バンド端周波数勾配と可飽和吸収領域を同時に導入することで、ピーク出力200W~1kW級の短パルス動作が実現可能であることをも数値計算により見出した。2022年度は、これらの結果を踏まえ、周波数勾配型PCSELのパルス圧縮動作の実証を目指すとともに、前年度に新たに考案した、周波数勾配と可飽和吸収領域を同時に導入した短パルス・高ピーク出力PCSELの作製・評価を行う。前者のパルス圧縮動作の実証に関しては、前年度に作製した周波数勾配型PCSELから出射されるレーザー光を分散補償媒質に透過させ、その前後でのパルス幅の変化やピーク出力の変化を、ストリークカメラにより詳細に評価する。さらに分散補償量や周波数勾配の大きさを変化させて実験を行うことで、パルス幅の大幅な圧縮（<20ps）およびピーク出力のさらなる向上（>100W）の実現を目指す。また、後者の周波数勾配と可飽和吸収領域を同時に導入したPCSELについては、実際にデバイスの作製・評価を行い、周波数勾配のみ、もしくは可飽和吸収領域のみを導入した短パルスPCSELと比較して、ピーク出力が大幅に向上することを実証する。さらに、周波数勾配および可飽和吸収領域の配置を最適化することで、理論的に予測される200W超のピーク出力の実証を目指す。
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