2つの準位から同時にレーザー発振する有機結晶を開発

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研究成果のポイント
1. 2種類のπ共役系分子を混合したマイクロ結晶の作成に成功しました。
2. マイクロ結晶中の2つの分子の混合比を調整することで、1つのマイクロ結晶から2つの波長域での同時レーザー発振を実現しました。
3. 銀薄膜表面で作成した直立マイクロ結晶が、レーザー発振閾値を大幅に低減させることを見出しました。

国立大学法人筑波大学数理物質系 山本洋平教授、同大学院数理物質科学研究科 岡田大地(物性・分子工学専攻 博士後期課程3年)は、神奈川大学理学部 辻勇人教授、東京大学大学院理学研究科 中村栄一特任教授、産業技術総合研究所、ストラスブール大学との共同研究で、π共役系分子マイクロ結晶からの同時多色レーザー発振に成功しました。辻教授、中村教授らにより2012年に開発された炭素架橋オリゴフェニレンビニレン(COPV)は、発光特性と光耐久性が極めて優れたπ共役系有機分子です。今回、本研究グループは、2種類のCOPVが混合したマイクロ結晶の作成に成功しました。得られた結晶を光励起すると、マイクロ結晶内で発光が閉じ込められ、誘導放出によりレーザー発振が起こることを確認し、COPVの混合比によっては2つの波長域から同時レーザー発振が起こることを明らかにしました。さらに、銀基板表面で結晶が直立に成長することを見出し、結晶が寝た状態と比較してレーザー発振閾値を4分の1程度に低下することに成功しました。このようなマイクロレーザーは、微小レーザー光源としての応用に加え、光回路や化学・バイオセンシングとしての応用が期待できます。

研究の背景
マイクロサイズのレーザー共振器は、レーザーデバイスの微小化に加え、光集積回路や化学・バイオセンシングのツールとして期待されています。有機マイクロ結晶は、結晶端面における光の反射により光を結晶内部に閉じ込めて共振させることが可能であり、近年、マイクロレーザー共振器としての応用研究が活発に進められています。光励起によるレーザー発振特性の発現において、発振閾値の低減は重要な課題です。その方法として、エネルギー移動(FRET)を介して励起エネルギーを捕集し、エネルギー受容性分子の効率的な反転分布状態を形成する方法が提案されています。しかしながら、エネルギー供与性分子とエネルギー受容性分子を望みの割合で混合した有機結晶を作成することは通常困難であり、有機結晶におけるFRETレーザーの実現や、レーザー発振閾値の低減についての検証は十分に進められていませんでした。

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