マイクロキャビティ複合レーザーの秩序状態から無秩序状態へ
典型的なレーザーは、励起光源、誘導放射を増幅する利得媒質、そして光共鳴を生成する共振器構造という3つの基本要素から構成されています。レーザマイクロキャビティレーザーは、マイクロメートルまたはサブミクロンレベルに近いため、学術界における現在の研究ホットスポットの一つとなっています。微小な体積で光と物質の顕著な相互作用を実現できるマイクロキャビティレーザーです。マイクロキャビティを複雑なシステムと組み合わせることで、例えば不規則な、あるいは無秩序なキャビティ境界を導入したり、複雑あるいは無秩序な作動媒体をマイクロキャビティに導入したりすることで、レーザー出力の自由度が向上します。無秩序なキャビティの物理的な非複製特性は、レーザーパラメータの多次元制御方法をもたらし、その応用の可能性を拡大することができます。
ランダム性の異なるシステムマイクロキャビティレーザー
本稿では、ランダムマイクロキャビティレーザーを初めて異なるキャビティ寸法から分類しました。この区別は、異なる寸法におけるランダムマイクロキャビティレーザーのユニークな出力特性を強調するだけでなく、様々な規制分野および応用分野におけるランダムマイクロキャビティのサイズ差の利点も明らかにしています。3次元固体マイクロキャビティは通常、モード体積が小さいため、光と物質の相互作用がより強くなります。3次元の閉鎖構造のため、光場は3次元的に高度に局在化でき、多くの場合、高い品質係数（Q値）を備えています。これらの特性により、高精度センシング、光子蓄積、量子情報処理などの先端技術分野に適しています。開放型2次元薄膜システムは、無秩序平面構造を構築するための理想的なプラットフォームです。利得と散乱を統合した2次元無秩序誘電体平面として、薄膜システムはランダムレーザー生成に積極的に関与できます。平面導波路効果により、レーザー結合と収集が容易になります。共振器寸法をさらに縮小することで、フィードバック媒体と利得媒体を1次元導波路に統合することで、径方向の光散乱を抑制しながら、軸方向の光共鳴と結合を強化できます。この統合アプローチは、最終的にレーザー生成と結合の効率を向上させます。
ランダムマイクロキャビティレーザーの調節特性
従来のレーザーでは、コヒーレンス、閾値、出力方向、偏光特性といった多くの指標が、レーザーの出力性能を測定する上で重要な基準となっています。固定対称共振器を持つ従来のレーザーと比較して、ランダムマイクロキャビティレーザーはパラメータ制御においてより柔軟性があり、これは時間領域、スペクトル領域、空間領域を含む複数の次元に反映されており、ランダムマイクロキャビティレーザーの多次元制御性を際立たせています。
ランダムマイクロキャビティレーザーの応用特性
空間コヒーレンスの低さ、モードのランダム性、そして環境への敏感さは、確率的マイクロキャビティレーザーの応用において多くの有利な要素を提供します。ランダムレーザーのモード制御と方向制御というソリューションにより、このユニークな光源はイメージング、医療診断、センシング、情報通信などの分野でますます利用されています。
マイクロ・ナノスケールの無秩序マイクロキャビティレーザーであるランダムマイクロキャビティレーザーは、環境変化に非常に敏感であり、そのパラメトリック特性は温度、湿度、pH、液体濃度、屈折率など、外部環境を監視するさまざまな敏感な指標に応答できるため、高感度センシングアプリケーションを実現するための優れたプラットフォームとなります。イメージング分野では、理想的な光源干渉スペックル効果を防ぐには、高いスペクトル密度、強い指向性出力、そして低い空間コヒーレンスが不可欠です。研究者らは、ペロブスカイト、バイオフィルム、液晶散乱体、細胞組織キャリアにおけるスペックルフリーイメージングにおいて、ランダムマイクロキャビティレーザーの利点を実証しました。医療診断において、ランダムマイクロキャビティレーザーは生物宿主からの散乱情報を伝達することができ、様々な生物組織の検出に成功しており、非侵襲的な医療診断の利便性を高めています。
今後、無秩序マイクロキャビティ構造と複雑なレーザー発生メカニズムの体系的な解析がより完成度を高めていくでしょう。材料科学とナノテクノロジーの継続的な進歩により、より微細で機能的な無秩序マイクロキャビティ構造が実現することが期待され、基礎研究と実用化の促進に大きな可能性を秘めています。
投稿日時: 2024年11月5日