短パルス・高ピーク出力動作可能な新しいフォトニック結晶レーザーの開発に成功

2021-03-29

超微細加工、高精度光センシング、バイオイメージング等への応用に向けて

2021-03-29 京都大学

野田進工学研究科教授、井上卓也同助教、森田遼平同博士課程学生、メーナカデゾイサ同講師、石崎賢司同特定准教授らの研究グループは、短パルス（数10ピコ秒以下）かつ高出力（数10～100ワット以上）で動作可能な新しいフォトニック結晶レーザーの開発に成功しました。

製造現場における無人化が進む中、加工条件を自動的かつ精密に最適化するスマート加工の実現のため、熱の影響を受けない超精密加工が可能な短パルス・高ピーク出力レーザー光源の実現が求められています。また、車の自動運転に代表されるスマートモビリティ分野においては、アイセーフかつ高分解能な光測距（LiDAR）を実現するため、数10ピコ秒以下の極めて短いパルス幅をもつ高ピーク出力光源が必要とされています。さらに、バイオ分野においても、高分解イメージングを可能とするため、短パルス・高ピーク出力光源が必須とされています。特に、小型、安価、可搬、高制御性という特徴をもつ半導体レーザーで、このような短パルス・高ピーク出力動作を実現することは、システムの大幅な小型化・低コスト化を実現する上で極めて重要と言えます。
本研究グループは、高出力・高ビーム品質（＝高輝度）を有し、極めて狭い拡がり角をもつビーム出射が可能な半導体レーザー：フォトニック結晶レーザーの開発を進めて来ましたが、今回、さらにデバイス内部に、利得領域と吸収領域を2次元的に分布させるという新しいコンセプトに基づき、数10ピコ秒以下という短パルスかつ、数10W～100W（将来的にはキロワット級も可能）という高ピーク出力動作が可能な新しいフォトニック結晶レーザーの開発に成功しました。

本研究成果は、スマート加工を可能とする微細加工や、高精度光センシング、バイオイメージングなどの幅広い応用にとって極めて重要な成果であり、今後の超スマート社会実現の鍵を担う光源として期待されます。

本研究成果は、2021年3月4日に、国際学術誌「Nature Photonics」のオンライン版に掲載されました。

図：（a）利得と吸収を2次元的に配置した短パルスフォトニック結晶レーザーの模式図。（b）吸収領域の2次元的な配置の例。