京大ら,新たなフォトニック結晶構造でレーザーを高輝度化

京都大学らは,独自の「2重格子フォトニック結晶」共振器を用いて,半導体レーザーの高輝度化(=高出力・高ビーム品質動作)に成功した(ニュースリリース)。

来たるべき超スマート社会(Society5.0)においては,スマートモビリティー(自動車やロボットの自動運転)やスマート製造の核となる高度センシングや光加工のための,高輝度半導体レーザーが必要とされている。しかしながら,従来の半導体レーザーは,高輝度化のため,光出射面積を増大し高出力化を図ろうとすると,ビーム品質が劣化し,逆に輝度が低下するという問題があった。

従来の半導体レーザーの限界を打破し,高安定・高輝度半導体レーザー実現の決め手となるとして「フォトニック結晶レーザー」が期待されている。このレーザーは,フォトニック結晶の活用により,原理的に,大面積でも単一モード動作(=高ビーム品質動作)が可能という特長がある。

そのため,フォトニック結晶レーザーの発光面積を拡大していくことで,光出力を増大させつつも,高い集束性を得ることができ,従来の半導体レーザーの限界を超える輝度を得ることが可能となると期待される。

今回研究グループは,このフォトニック結晶レーザーの心臓部となるフォトニック結晶共振器として,「2重格子フォトニック結晶」という,2つのフォトニック結晶をxおよびy方向に4分の1波長だけずらして重ねた独自の共振器構造を提案した。

この新たな共振器を用いることで,500μmφ以上という従来の半導体レーザーの1万倍以上の大面積であっても,単一モード動作を実現した。これにより,狭出射角(<0.3°)で,10W級の高出力・高ビーム品質(M2~2)動作,すなわち,300MWcm-2sr-1以上という輝度を達成し,これまでの半導体レーザーを超える高安定・高輝度動作を実現することに成功した。

研究グループは今後,この進展著しいフォトニック結晶レーザー技術をさらに発展させ,その高機能化(10~100psの短パルス動作や青紫色の短波長領域への展開)の推進強化,さらに一層の高輝度化,スマート化(機械学習との融合など)を推進していくとしている。

これらの研究推進により,ガスレーザーやファイバーレーザーに迫る輝度(≧1GWcm-2-1)が実現され,また,短パルス・短波長動作が実現されると,加工・製造,高度センシング・計測,さらには医療・生命科学へと,小型・安価・低消費電力・高制御性の半導体レーザーをメインプレーヤーとして適用していくことが期待されるとしている。

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