産業技術総合研究所(産総研)は、北海道大学、九州大学と共同で、産総研で開発したサブマイクロメートル球状粒子作製法(液中レーザー溶融法)により得られた酸化亜鉛(ZnO)粒子からなる薄膜に、光学的な欠陥粒子を導入すると、発振特性に優れたランダムレーザーとして動作することを実証した。
ランダムレーザーは、高度な材料合成・加工技術が求められる明確なキャビティー構造を必要とせず、また安価で容易に作製できるレーザー素子として注目を集めてきた。
今回開発したサブマイクロメートルサイズの酸化亜鉛球状粒子を用いた小型ランダムレーザー素子は、低価格で単色性が要求される小型光源、家庭用ヘルスモニター用分光装置、照明用素材、発光素子を要する電子デバイスなどへの幅広い技術応用が期待できる。
北海道大学の藤原英樹准教授は、これまでのランダムレーザーに関する研究を発展させることで、散乱体のサイズや形状が均一である光散乱体の集合体がある特定の波長範囲で非常に小さな透過率になり一種の鏡として働くことや、均一サイズの光散乱体の集合体中に点欠陥を導入すれば特定の波長領域の光を空間的に閉じ込められることを計算により検証してきた。
この点欠陥のサイズは光散乱体のサイズよりも大きく、また、欠陥と同様に機能する空隙が存在しないことが重要となる。これを実験で検証することを目指して研究を進めてきた。
今回、提案した手法の有効性を示すため、既にランダムレーザー発振の報告が多くある酸化亜鉛(ZnO)を光散乱体および利得媒体として選択し、共鳴波長と適合する粒径のZnOサブマイクロメートル球状粒子を使用した。
ZnOの発光波長は380-390 nmであり、この波長付近の光に対して粒子を鏡のように働かせるために最適な粒径は約200 nmであることが、最近の研究で明らかになってきた。そこで、このサイズの平均粒径をもつZnO粒子を、産総研が開発した液中レーザー溶融法を利用して、市販のZnO粒子(平均粒径:100 nm)原料から作製した。
今回開発した作製法では、サブマイクロメートルの球状粒子が分散した液に欠陥としてポリマー粒子を添加し、この分散液を塗布するだけでランダムレーザーを作製できる。このため、小型で安価なレーザー素子が容易に作製でき、低価格で単色性が要求される小型光源、家庭用ヘルスモニター用分光装置、照明用素材、発光素子を要する電子デバイスなど、幅広い技術への応用が期待できる。今後、粒子のサイズ均一性向上や他の波長のランダムレーザー開発を目指した物質の探索などに取り組んでいくことにしている。