Development of 1um-wavelength-laser-pumped ZnSe mid-infrared wavelength-conversion devices

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本研究では高出力な1 um 帯レーザーで励起可能な波長変換デバイスを開発し，従来よりはるかに高効率・高出力な中赤外光発生を実現するために，セレン化亜鉛(ZnSe)プレートを多数枚積層した擬似位相整合構造を，常温接合技術を駆使して作製することを目的としている．本年度はZnSeプレート同士を高品質で接合する条件の最適化を行った．常温接合ではプレート表面を平坦性0.3 um 以下，粗さRa < 1 nm に する必要がある．励起光波長1 um の中赤外波長変換の場合，1次の擬似位相整合条件を満たすZnSeのプレート厚さは20～40 um程度と薄く上記条件を満たす研磨が困難となる．そこで，本研究では3次の擬似位相整合となる厚さ60～120 umのプレートを用いる．ZnSeは高価であるため，まず厚さ106 umのGaAsプレートを多数枚用意し接合条件の検討を行った．これまで，試料はステンレス製の治具上に直接設置していたが，治具表面の平坦性は試料の平坦性に比べ1桁程度悪く，厚さ100 um 程度以下の薄いプレート試料同士を加圧・接合すると，治具表面のうねりに沿って試料表面が変形する．この試料にさらに別のプレートを接合すると，界面に隙間が生じ透過率が低下してしまう．そこで，治具に直接設置する代わりに，レーザーグレードに研磨し平坦性の高いYAG 結晶の上に試料を置き，接合を行った．また，アルゴン原子ビームの照射する際，上下に対向して配置するプレートの間隔を調整し，ビーム強度の最も大きいところに試料表面が来るようにした．その結果，短時間で表面活性化が行えると同時に接合強度も向上した．これらの最適化を踏まえて10枚積層構造を作製したところ，波長10.6 umにおける1接合界面あたりの散乱損失が従来の0.9 %から0.4 %に改善し，高品質化に成功した．