光局在モードを制御した新規ランダム構造の共振器性能評価に関する研究

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本研究は、光学特性が制御された新規ランダム構造を用いた簡便安価に作製可能な光反応場・光デバイスの実現に向け、新規ランダム構造における共振器効果の検証及びその特性評価を目的としている。前年度までに確立した制御方法により、従来のランダムレーザーとは異なる、2段階のしきい値を持つ特異な発振特性を観測した。そこで本年度は、この特異な発振特性の解明を目的とし、利得媒質であるZnOのキャリア状態解析を行った。その結果、1段階目のレーザー発振には励起子が、2段階目には電子正孔プラズマが関与していることを明らかにした。通常ZnOランダムレーザーは電子正孔プラズマ由来であるが、本制御方法の適用により従来制御された規則的な共振器で観測されるような励起子由来のレーザー発振をランダム構造において初めて観測することに成功した。さらにこの結果に加え、スペクトル変化の様子がポラリトンレーザーの特徴とよく一致していることから、励起子－光子間の強結合状態がランダム構造内でも実現できる可能性を示唆する結果を得ることに成功した。これまで制御方法を確立したことから、次に発光デバイス応用を目指し、ナノロッドアレイランダムレーザーの実現を目指した。レーザー誘起水熱合成法により、短時間でロッド径の異なるZnOナノロッドアレイ構造を作製し、各構造においてランダムレーザー発振の観測に成功した。さらに、ロッド径の最適化により低しきい値化も実現し、今後、上記制御方法の適用により、高性能なナノロッドアレイランダムレーザーの実現が期待できる。これらの結果は、不規則な構造中においても任意に発振モード等の光学特性を制御可能なことを示すだけでなく、この制御により励起子－光子間の強結合状態を誘起できる可能性を示していることから、ランダム構造を用いた光反応場や発光デバイス等を実現する上で重要な知見となる。