半導体および強誘電体でのピコ秒フォトリフラクティブ効果とその応用に関する研究

本研究は、電気光学効果を有する半絶縁性半導体や強誘電体で生じるフォトリフラクティブ(PR)非線形光学効果を利用して超短光パルスの時空間領域における増幅・変調や記録・再生などの新規な光パルス情報処理法をホログラフィックな手法により実現することを目標に置き、その第一段階としてPR結晶内における複数の超短光パルスが入射した場合の光励起キャリアと形成される空間電場のダイナミクスさらに光パルス間の非線形相互作用について理論的・実験的に調べることを目的とした。以下に研究成果を列記する。1.波長1064nmの二つのピコ秒光パルスにより半絶縁性GaAs中に非線形屈折率・吸収格子が形成される時の電子、正孔、深い準位そして空間電場に関するレート方程式を用いた光励起キャリアと空間電場のダイナミクスについて計算を行なって得られた近似解析解と数値解との比較検討を行なった。その結果、入射光パルスのfluenceと干渉縞間隔にキャリアと空間電場のダイナミクスが大きく依存し、特に10mW/cm^2以上の高fluenceでは空間電場の形成レートと緩和レートが異常に増大することを初めて見い出した。次に非常線形屈折率・吸収格子のダイナミクスおよび位相共役波のダイナミクスについても同様に計算を行ない、1mW/cm^2以下の低fluenceではPR屈折率格子が自由キャリア屈折率・吸収格子に比べて支配的となるが高fluenceでは逆に自由キャリア屈折率・吸収格子が支配的となることを示し屈折率・吸収格子と位相共役波のダイナミクスとの対応を明らかにした。また強誘電体チタン酸バリウムについても同様の計算を行ない、この場合には熱励起キャリアが光パルス照射後の格子形成に重要な役割を果たすことを見い出した。2.ピコ秒YAGレーザ(波長1064nm)と半導縁性GaAsを用いた二波混合によるプローブ光パルス時間分解非線形透過率の測定を行なった。その結果、1mW/cm_2以下の低fluence時にはポンプ光パルスが光パルス幅(30ps)の1/6程度の遅延時間で結晶に入射する時にPR格子による二光波エネルギー結合が最大となることがわかった。一方、高fluenceでは二光子吸収効果による非線形吸収が顕著となりかつ二光波エネルギー結合は自由キャリア格子によるものが支配的となることがわかり、理論との良い対応を得た。また、結晶の方位を適当に選ぶことにより消光比100:1程度の二つのピコ秒光パルス間の偏光スイッチングを実現出来た。

本研究は、電気光学効果を有する半絶縁性半導体や強誘電体で生じるフォトリフラクティブ(PR)非線形光学効果を利用して超短光パルスの時空間領域における増幅・変調や記録・再生などの新規な光パルス情報処理法をホログラフィックな手法により実現することを目標に置き、その第一段階としてPR結晶内における複数の超短光パルスが入射した場合の光励起キャリアと形成される空間電場のダイナミクスさらに光パルス間の非線形相互作用について理論的・実験的に調べることを目的とした。以下に研究成果を列記する。1.波長1064nmの二つのピコ秒光パルスにより半絶縁性GaAs中に非線形屈折率・吸収格子が形成される時の電子、正孔、深い準位そして空間電場に関するレート方程式を用いた光励起キャリアと空間電場のダイナミクスについて計算を行なって得られた近似解析解と数値解との比較検討を行なった。その結果、入射光パルスのfluenceと干渉縞間隔にキャリアと空間電場のダイナミクスが大きく依存し、特に10mW/cm^2以上の高fluenceでは空間電場の形成レートと緩和レートが異常に増大することを初めて見い出した。次に非常線形屈折率・吸収格子のダイナミクスおよび位相共役波のダイナミクスについても同様に計算を行ない、1mW/cm^2以下の低fluenceではPR屈折率格子が自由キャリア屈折率・吸収格子に比べて支配的となるが高fluenceでは逆に自由キャリア屈折率・吸収格子が支配的となることを示し屈折率・吸収格子と位相共役波のダイナミクスとの対応を明らかにした。また強誘電体チタン酸バリウムについても同様の計算を行ない、この場合には熱励起キャリアが光パルス照射後の格子形成に重要な役割を果たすことを見い出した。2.ピコ秒YAGレーザ(波長1064nm)と半導縁性GaAsを用いた二波混合によるプローブ光パルス時間分解非線形透過率の測定を行なった。その結果、1mW/cm_2以下の低fluence時にはポンプ光パルスが光パルス幅(30ps)の1/6程度の遅延時間で結晶に入射する時にPR格子による二光波エネルギー結合が最大となることがわかった。一方、高fluenceでは二光子吸収効果による非線形吸収が顕著となりかつ二光波エネルギー結合は自由キャリア格子によるものが支配的となることがわかり、理論との良い対応を得た。また、結晶の方位を適当に選ぶことにより消光比100:1程度の二つのピコ秒光パルス間の偏光スイッチングを実現出来た。