ランダムレーザーのスペクトル持続性の制御

研究背景

ランダムレーザー（Random Lasers、以下RLs）は、1960年代にLetokhovの理論として提唱されて以来、広く注目される研究分野となっています。RLsの大きな特徴は、精密な光学キャビティの製造を必要としないことです。これにより、加工と拡張の面で大きな利点をもたらします。この種のレーザーは、その固有の多モード特性と低い空間コヒーレンス性により、無干渉の全視野イメージングといったアプリケーションで独自の利点を示しています。例えば、RLsは、光散乱媒質中で誘導放出によりコヒーレント光を生成し、非線形応答と独自のスペクトル変動を持つため、センシングやイメージングの分野で潜在的な応用があります。また、RLsは複雑なネットワークにおける非線形要素としての可能性も示しており、光ニューラルネットワークの理想的なコンポーネントとなります。

しかしながら、RLsはその無秩序構造のため、実際の応用においてスペクトル変動や再現性の低さといった問題に直面しています。特に高い再現性が求められるアプリケーション、例えばニューラルネットワークの同期化などにおいては、スペクトル変動は性能に大きな影響を及ぼします。したがって、RLsのモード安定性を制御しスペクトル変動を減少させることが、現在の研究の主要な課題となっています。

出典と著者

この記事は2024年7月に『Optica』誌の第11巻第7号に発表されました。論文のタイトルは「Controlling the Spectral Persistence of a Random Laser」です。研究はPedro Moronta、Pedro Tartaj、Antonio Consoli、Pedro David García、Luis Martín MorenoおよびCefe Lópezによって行われました。第一著者と通信著者が所属する機関にはマドリッド材料科学研究所(ICMM)、スペイン高等科学研究者会議(CSIC)およびレイ・フアン・カルロス大学等が含まれます。

研究プロセスと実験方法

サンプル作製

サンプル作製には、主に3種類の化学物質が使用されました：サケDNAナトリウム塩、CTMAクロリドおよび染料DCM（4-(dicyanomethylene)-2-methyl-6-(4-dimethylaminostyryl)-4H-pyran）。サンプルはキャビティの長さを調整しやすくするためにV字形に設計されました。具体的なプロセスは、サケDNAナトリウム塩とCTMAクロリドを混合してDNA-CTMA複合体を得た後、染料DCMをDNA-CTMA溶液に添加し、最後にTIO2を剥がして粗いエッジを持つV字構造を形成することです。

光学実験装置

実験には2種類のレーザーシステムが使用されました：ナノ秒パルスレーザーとピコ秒パルスレーザーで、15nsおよび30psのパルスをそれぞれ発振し、532nmの波長で動作します。エネルギー出力を制御するためにハーフウェーブプレートを回転させ、固定偏光器を使用しました。シリンドリカルレンズを使ってストライプ状の光束を生成しました。光の発射は、顕微鏡対物レンズで集められ、分光計でスペクトル解析が行われました。異なるキャビティ長における単発レーザー発射スペクトルを測定し、それらのスペクトル変動を評価しました。

理論モデル

結合モード理論（Coupled-Mode Theory, CMT）を採用し、モードの電磁場は次の方程式で記述されます：

[ \frac{d a_k}{d t} = i \delta_k a_k - \alpha_k ak + \sum{j \neq k} c_{k,j} a_j + g(t, \delta_k) \frac{a_k}{1 + \gamma_k |a_k|^2} ]

具体的なパラメータには、モードの複雑振幅、中心周波数のシフト、減衰定数、モード間の結合係数、ゲインおよび飽和係数などが含まれます。このモデルは、異なるポンピングパルス幅とモードの相互作用時間の関係をシミュレートするために使用され、実験結果を説明することを目的としています。

実験結果と議論

スペクトル変動とキャビティ長の関係

実験では、研究者たちはキャビティ長を変えつつポンピングエネルギーを一定に保ちました。その結果、キャビティ長が短いほど、単発レーザー発射のスペクトル変動が小さいことが分かりました。図に示すように、キャビティ長が330±50µmの場合、単発レーザー発射のスペクトルはほぼ固定されています。しかし、キャビティ長が1300±50µmおよび1910±50µmの場合、スペクトル変動は顕著で、連続発射スペクトル中の異なるピーク位置の変動が見られます。

相関係数分析

異なるキャビティ長におけるPearson相関係数を計算した結果、キャビティ長が短いほどスペクトル間の相関性が高いことが分かりました。ポンピングパルス幅が長い場合（15ns）、異なるキャビティ長のスペクトルはほぼ一致しており（Pearson相関係数は1に近い）、短いパルス幅（30ps）の場合、短いキャビティ長のみが高い相関性を示しています（相関係数は0.9を超える）。

シミュレーション結果

CMTモデルの数値シミュレーションは、実験結果をさらに検証しました。モードの数が増える（キャビティ長が増える）につれて、得られる単発スペクトルの変動が増加し、累積スペクトルが次第に平滑になり、より大きなベースライン信号が現れることが示されました。この結果は、ポンピングパルス幅に対するモードの相互作用時間の重要性を示しています。

議論と結論

研究により、ポンピングパルス幅とキャビティ長を制御することで、RLsのスペクトル持続性を効果的に調整できることが示されました。ポンピングパルス幅が十分に長い場合、フォトンがキャビティ内で十分に往復し、モード間の競争が十分に発展し、最終的に安定したスペクトル構造が形成されます。

この発見は、基礎的なレーザー物理学の研究に重要な意味を持つだけでなく、実際の応用におけるRLsに対して簡便かつ信頼性の高いモード安定制御法を提供します。この制御メカニズムを利用することで、RLsは同期、信号処理、およびニューラルネットワーク等の分野での潜在能力がさらに引き出されるでしょう。

研究の意義と展望

本研究は、RLsが不安定から安定への変換メカニズムを明らかにし、キャビティ長とポンピングパルス幅がスペクトル安定性の制御において重要な役割を果たすことを示しました。これにより、実際の応用に対して実行可能な制御方法を提供すると共に、将来のRLsおよびそれらの複雑なネットワークでの応用に新たな研究方向を開拓しました。

この研究は、スペインの科学とイノベーション省および複数の研究計画によって資金提供されました。研究データは、合理的なリクエストにより通信著者から取得可能で、シミュレーションに使用されたPythonコードも提供できます。

この研究の成功は、ランダムレーザー分野でのチームの先端技術の突破口を示しており、レーザー科学と応用技術に新たな視点を提供します。