フォトニック結晶レーザの短パルス・高ピーク出力化

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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。