フォトニック結晶レーザの短パルス・高ピーク出力化

光子晶体激光器的短脉冲、高峰值输出

基本信息

批准号：
19J20134
负责人：
森田遼平
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

２次元フォトニック結晶のバンド端における共振効果をレーザー共振器として用いたフォトニック結晶レーザーは、半導体レーザーの小型・高効率な特長をそのままに、高い出力と高いビーム品質の両立を実現できる面発光型半導体レーザーである。このレーザーの出力を時間幅ピコ秒オーダーの短時間に集約して出射する短パルス・高ピーク出力動作が可能となれば、半導体レーザー素子単体で、長距離の測定が可能な光測距や、金属材料などのレーザー微細加工など多岐にわたる技術へ応用が可能となり、装置の大幅な単純化や小型化に貢献できると期待される。本研究では、フォトニック結晶レーザーにおいて、上記応用を見据え、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た。昨年度は、フォトニック結晶の格子点構造、および、２次元可飽和吸収領域分布について検討し、ピーク出力70Ｗの高ピーク出力・短パルス動作を実現した。本年度は、更なるピーク出力向上を目指し、デバイス構造の最適化を進めた。その際に、フォトニック結晶共振器内のバンド端周波数の分布によって、過渡応答特性が大きく変化することを見出し、その安定化のために、大域的なバンド端周波数分布を導入したフォトニック結晶共振器構造を提案した。さらに、この構造によって、共振器損失が短パルス発振時に減少することでQスイッチング効果が増強され、ピーク出力が向上することを明らかとした。そして、具体的な構造設計を行い、素子の作製を行ったところ、ビーム拡がり角0.15度程度の高ビーム品質、かつ、パルス幅30ピコ秒程度・ピーク出力200Ｗ級の短パルス・高ピーク出力動作の実証に成功した。半導体レーザー素子単体で得られるピーク出力としては、先行研究の十倍以上の大きな値であり、当初の目標を大幅に超える値を達成した。

光子晶体激光器是利用二维光子晶体带边的谐振效应作为激光谐振腔，是一种面发射激光器，可以同时实现高输出和高光束质量，同时保留了光子晶体小尺寸和高效率的特点。半导体激光器是半导体激光器的一种。如果能够执行短脉冲、高峰值输出操作，其中该激光器的输出集中在皮秒量级的短时间内，那么可以使用单个半导体激光元件测量长距离的光学测距将成为可能预计该技术将适用于多种技术，例如金属材料的激光微加工，并将有助于设备的大幅简化和小型化。在本研究中，我们的目标是在脉冲宽度为几十皮秒、峰值输出为100 W级的光子晶体激光器中实现短脉冲、高峰值输出操作，着眼于上述应用。去年，我们研究了光子晶体的晶格结构和二维可饱和吸收区分布，实现了峰值输出70W的高峰值输出和短脉冲操作。今年，我们继续优化装置结构，进一步提高峰值产量。当时，我们发现瞬态响应特性根据光子晶体谐振器内的带边缘频率分布而变化很大，为了稳定瞬态响应特性，我们将全局带边缘频率分布引入到光子晶体谐振器中。容器结构。此外，还表明这种结构减少了短脉冲振荡期间的谐振器损耗，从而增强了调Q效果并提高了峰值输出。经过具体的结构设计和制作，我们发现它具有高光束质量，光束发散角约为0.15度，并且具有短脉冲和高峰值输出操作，脉冲宽度约为30皮秒，峰值输出为200W级论证成功。单个半导体激光元件获得的峰值输出比之前的研究大十倍以上，远远超出了最初的目标。