新たなレーザー発振現象を発見し微小なレーザーを作製―トポロジカル特性に関する2種のフォトニック結晶で実現：物質・材料研究機構
(2019年12月17日発表)
（国）物質・材料研究機構は12月17日、発光性半導体フォトニック結晶のハニカム構造が生み出す新しいレーザー発振現象を発見し、微小レーザーの作製に成功したと発表した。通信、センサー、加工をはじめとする革新的な技術開発分野で、優れた光源として幅広い応用が期待されるという。
物体の形を連続的に変形しても保たれる特性を記述する数学的概念をトポロジーという。一つの空孔を持つドーナッツとコーヒーカップはトポロジー的には同類とされる。近年、物質の表面だけに特別な性質が現れるトポロジカル特性を持つ物質の研究が活発化しており、抵抗を伴わない電流や、欠陥に散乱されない光・電磁波伝搬などの実現・活用が目指されている。
研究グループは、フォトニック結晶と呼ばれる物質を用いて、今回、トポロジカル特性に由来する新たな光閉じ込め現象を発見し、その現象を用いた微小レーザーを作り出した。
フォトニック結晶は、誘電率や透磁率の異なる材料が周期的に並んだ媒体。トポロジカル特性を示す発光性半導体フォトニック結晶の周辺を、トポロジカル特性を持たないフォトニック結晶で囲むことで、その境界で光が反射され、中心部に閉じ込められた光モードが増幅する現象を見出した。
トポロジカル特性を持つか持たないかの2種類のフォトニック結晶は、結晶薄膜を構成するハニカム構造に微調整を加えることによって得た。光が中心部に閉じ込められる共振器を作製し、このデバイスに光を照射したところ、室温下でのレーザー発振に成功、共振器面に垂直な方向への優れた指向性が示された。
今回発見したトポロジカル特性由来のレーザー発振現象は、極小で指向性の優れた固体レーザー光源開発の新たな指針となるもので、ミクロな世界のレーザー技術をはじめ、医療・生命科学の技術革新への寄与が期待されるとしている。