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フォトニック結晶レーザの熱マネジメントとCW高輝度動作の実現

光子晶体激光器的热管理及连续波高亮度工作的实现

基本信息

批准号：
22KJ2020
负责人：
勝野峻平
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2023
资助国家：
日本
起止时间：
2023-03-08 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

既存の半導体レーザは，小型・安価・高効率・高制御性をいった特長をもつ一方で，高ビーム品質を維持可能な光出力に限界があり，レーザ加工用光源としての応用が困難であった．本研究は，2次元フォトニック結晶をレーザ共振器として利用することで既存の半導体レーザの課題を解決可能としたフォトニック結晶レーザについて，上記応用を目指し，連続的な電流注入による動作（CW動作）における熱マネジメントおよび高出力・高ビーム品質動作（=高輝度動作）の実現を目標としている．本年度は，まず，デバイス温度を，十分な内部量子効率・利得が維持可能な温度に抑える実装技術の確立に取り組んだ．また，高輝度動作を実現するためのデバイス設計を検討するために，電流・熱・光の相互作用を考慮し，確立した実装条件下における放熱特性を取り入れたフォトニック結晶レーザのCW発振特性解析を行った．その結果，フォトニック結晶面内の不均一な温度分布によって生じる屈折率分布（バンド端周波数分布）が，共振器面内の光分布の偏りや，ビーム拡がりの増大等を生じることが明らかとなった．そこで，この不均一なバンド端周波数分布を打ち消すように，フォトニック結晶の格子定数の面内分布を補償構造として導入した場合のCW発振特性解析を行ったところ，高輝度CW動作が期待できることがわかった．そして，高輝度CW動作の実証に向けて，大面積の共振領域全体で利得を得られるような電流注入を実現可能な電極や2次元フォトニック結晶に導入する補償構造等，デバイス構造の設計を行った．さらに，これらの設計に基づいて，デバイス作製に着手した．

Existing semiconductor light sources are small, safe, high efficiency, and high control. One side is long, and the other side is high quality. It is possible to maintain light output. This study aims to solve the problem of using existing semiconductor resonators with two-dimensional crystal structure, and to realize the continuous current injection operation (CW operation), thermal generation, high output, high quality operation (= high luminance operation). This year, we will continue to improve our internal efficiency and efficiency by maintaining the temperature and temperature of our equipment. The design of high brightness operation is discussed in consideration of the interaction of current, heat and light, and the heat release characteristics are established in consideration of the analysis of CW vibration characteristics of crystals. As a result, the inhomogeneous temperature distribution in the crystal plane of the resonator produces the refractive index distribution (the end-cycle wave number distribution), the light distribution in the resonator plane increases, and so on. The analysis of CW oscillation characteristics in the case of non-uniform end-cycle wave number distribution is carried out in order to compensate for the in-plane distribution of crystal lattice number and high brightness CW operation. In addition, the realization of high brightness CW operation is the direction of large area resonance field gain, current injection is possible, electrode and two-dimensional crystal are introduced, compensation structure, etc., and the design of the structure is carried out. This is the first time I've ever been to a hotel.