フォトニック結晶レーザーが実現する未来？小型レーザーの輝度革命とは！？
💡 フォトニック結晶レーザーは、従来のレーザーに比べて、小型で高輝度、そして高効率を実現できます。
💡 この技術は、産業分野のみならず、医療や通信など、様々な分野で革新をもたらすと期待されています。
💡 今回は、フォトニック結晶レーザーの最新技術とその応用事例について詳しくご紹介します。
それでは、最初の章に移りましょう。
革新的なフォトニック結晶レーザーの誕生
従来のレーザーでは難しかった、高輝度と高ビーム品質の両立が可能になったというのは画期的な成果ですね。
✅ 京都大学の研究グループは、独自の「２重格子フォトニック結晶」共振器を用いて、半導体レーザーの高輝度化に成功しました。
✅ 従来の半導体レーザーは、高輝度化のため光出射面積を増大させるとビーム品質が劣化するという問題がありましたが、本研究では、従来の１０，０００倍以上の光出射面積でもビーム品質の劣化がない「２重格子フォトニック結晶」を考案しました。
✅ この技術は、スマートモビリティーやスマート製造における高度センシングや光加工のための、高輝度半導体レーザーの実現に貢献すると期待されています。
さらに読む ⇒国立研究開発法人 科学技術振興機構出典/画像元: https://www.jst.go.jp/pr/announce/20181218/index.htmlこの技術は、まさにレーザー技術の革命と言えるでしょう。
京都大学の野田進教授らの研究グループは、1999年にフォトニック結晶レーザーを発明し、以来、高出力・高輝度化の研究を続けました。従来の半導体レーザーでは、デバイス面積の拡大に伴い、ビーム品質が劣化し、輝度を増大することが困難でした。そこで、野田教授らは、新たに「二重格子フォトニック結晶」構造を考案し、この構造を工夫することで、フォトニック結晶レーザーの面積を大幅に拡大しても、高次モードの発生を抑制し、輝度増大が可能となる方法を見いだしました。この技術は、基本モードの損失を低く保ったまま、高次モードの損失のみを増大させることで、高次モードの発振を抑制し、ビーム品質を維持することに成功しました。
ええ、従来のレーザーでは、高輝度化のために光出射面積を増大させるとビーム品質が劣化してしまうという問題がありました。しかし、この研究では、独自の「２重格子フォトニック結晶」を用いることで、その問題を克服したのです。
フォトニック結晶レーザーの進化
GaNトランジスタの性能向上により、LiDARの性能もさらに向上するでしょうね。
公開日:2022/11/09
✅ 記事は、GaN（窒化ガリウム）トランジスタを用いた次世代LiDAR（ライダー）の開発に向けた取り組みについて解説しています。
✅ GaNトランジスタは、従来のシリコントランジスタに比べて高周波数動作や高出力動作が可能で、LiDARに必要な高性能な光源の開発に貢献しています。
✅ 記事では、GaNトランジスタの性能向上に向けた取り組みとして、結晶成長技術の改善、デバイス構造の最適化、新たな材料の使用などが紹介されています。
さらに読む ⇒EE Times Japan出典/画像元: https://eetimes.itmedia.co.jp/ee/articles/2211/08/news047.htmlフォトニック結晶レーザーの進化は目覚ましく、様々な分野への応用が進んでいますね。
フォトニック結晶レーザーは、2001年に2次元フォトニック結晶のバンド構造における単一モード面発光レーザー発振の発見を端緒とし、その後、様々な研究開発を経て、2018-2019年には「2重格子フォトニック結晶」の登場により、大面積でのコヒーレント動作と高ビーム品質・高出力動作が可能になりました。さらに、光の制御性や波長のスケーラビリティを活用することで、任意の形状・偏光ビームの発生、電気的ビーム走査、青色・緑色への展開、光通信波長域への展開などが実現されつつあります。
フォトニック結晶レーザーって、ホンマにすごいんやなぁ。光通信波長域への展開とか、めちゃくちゃ興味深いわ！
産学連携による実用化への道
GaN系フォトニック結晶レーザーは、高出力・高ビーム品質レーザーの発振に成功したということで、素晴らしいですね。
公開日:2022/11/17
✅ 京都大学の研究グループが、青色で動作する窒化ガリウム（GaN）系フォトニック結晶レーザーの高出力・高ビーム品質レーザーの発振に成功しました。
✅ この技術は、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）のレーザー加工、金属3Dプリンター、車載用光源などの高輝度照明、水中LiDARなど、幅広い分野への応用が期待されます。
✅ 特に銅のレーザー加工においては、従来のレーザーに比べて加工速度と品質が向上し、次世代の製造技術への貢献が期待されています。
さらに読む ⇒電波新聞デジタル出典/画像元: https://dempa-digital.com/article/374220産学連携による実用化は、まさにイノベーションの象徴ですね。
野田教授率いる研究グループは、浜松ホトニクス株式会社と連携し、高出力で高ビーム品質、単一スペクトル、ビーム広がりの抑制を同時に実現するフォトニック結晶レーザーの実用化に世界で初めて成功しました。従来のレーザーでは、高出力化と高ビーム品質の両立が困難でしたが、フォトニック結晶構造を用いることで、この課題を克服しました。フォトニック結晶は、光を制御する人工的なナノ構造で、レーザー光のビーム品質を向上させ、高出力化を可能にします。これにより、レーザー加工や光通信など、様々な分野で革新的な技術革新が期待されます。来年春には、サンプル出荷が開始され、各種用途に向けて展開される予定です。この成果は、基礎研究から製品化までの死の谷を超える、産学連携の成功例として注目されています。
フォトニック結晶レーザーって、CFRPのレーザー加工にも使えるんですか？すごいですね！
小型レーザーの輝度革命
小型レーザーで、大型レーザーに匹敵する輝度を実現したというのは驚異的ですね。
✅ 京都大学 の野田進教授らの研究チームは、直径3ミリメートルのフォトニック結晶レーザー（PCSEL）の連続動作での輝度を1平方センチメートル当たり100万キロワットに高めることに成功しました。これは大型レーザーに匹敵する輝度であり、金属などの切断や加工に必要とされるレベルです。
✅ この成果は、フォトニック結晶内部の光波の結合状態を精密制御することで実現しました。研究チームは、フォトニックバンド構造の特異点を活用し、大面積で安定したレーザー発振が可能な設計指針を開発しました。
✅ この小型で高輝度のPCSELは、部品点数やコストを抑え、小型デバイスの開発を後押しすると期待されています。デジタルを活用した生産現場では、コストが低く高効率で小型の半導体レーザーの需要が高まっていることから、この技術は産業分野への応用が期待されます。
さらに読む ⇒ニュースイッチ by 日刊工業新聞社出典/画像元: https://newswitch.jp/p/37366小型レーザーの輝度革命が、様々な分野でイノベーションを起こす可能性を秘めていると感じます。
京都大学大学院工学研究科の研究グループは、フォトニック結晶レーザー（PCSEL）の連続動作状態での輝度を、大型レーザーに匹敵する1GWcm-2sr-1まで高めることに成功しました。これは、小型、高効率、低コストという利点を持ちながら、従来の大型レーザーと同等の輝度を実現したものであり、スマート製造分野をはじめとした様々な分野にゲームチェンジをもたらす可能性を秘めています。従来の半導体レーザーは、高出力化に伴うビーム品質劣化により、高輝度化が困難でした。研究グループは、PCSELの光波結合状態を精密制御することで、高出力・高ビーム品質を実現する技術を開発し、さらに、連続動作下でもその状態を維持可能な構造を実現しました。その結果、直径3mmのPCSELを用いて、50W単一モード・狭ビーム出射角（0.05°）で、1GWcm-2sr-1の輝度を達成しました。本成果は、小型で高効率なレーザーを用いた光加工技術の実用化に大きく貢献すると期待されており、今後、様々な分野での応用が期待されます。
フォトニック結晶内部の光波の結合状態を精密制御することで、輝度を高めることができたというのは、まさに技術の粋ですね。
小型LiDARによる未来社会への貢献
世界初となるフォトニック結晶レーザーを搭載したLiDARの開発は、大きな成果ですね。
公開日:2020/07/01
✅ 京都大学と北陽電機が共同で、世界初となるフォトニック結晶レーザーを搭載した光測距システム（LiDAR）を開発した。
✅ 開発されたLiDARは、従来のブロードエリア半導体レーザーを用いたLiDARと比較して、レンズ無しでビームが拡がらず、高い空間分解能を実現している。
✅ 今後、電気的に2次元ビーム走査可能なフォトニック結晶レーザーの開発を進めることで、非機械式のLiDARを実現する可能性がある。
さらに読む ⇒fabcross for エンジニア - エンジニアのためのキャリア応援マガジン出典/画像元: https://engineer.fabcross.jp/archeive/200701_kyoto_u.html小型LiDARの開発は、自動運転やロボットなど、様々な分野の発展に貢献するでしょう。
野田進教授らの研究グループは、北陽電機株式会社と共同で、フォトニック結晶レーザーのレンズフリー特性を活かした、世界最小クラスの小型LiDARシステムの開発に成功しました。このLiDARシステムは、従来の1/3の体積を実現し、光源部と受光部を一体化することで、小型化を実現しました。この成果は、フォトニック結晶レーザーやそれを搭載した小型LiDARが、今後の超スマート社会におけるロボットや自動運転など、様々な分野で活躍する可能性を示すものです。開発された小型LiDARは、2021年7月15日から28日に東京スカイツリータウンで開催される「Society5.0科学博」にて展示予定です。
小型LiDARって、ホンマにスゴイなぁ！レンズ無しでビームが拡がらないって、めちゃくちゃ便利やないですか！
本日は、フォトニック結晶レーザーの最新技術についてご紹介しました。この技術は、未来社会を大きく変える可能性を秘めています。
💡 フォトニック結晶レーザーは、小型で高輝度、そして高効率を実現できます。
💡 この技術は、産業分野のみならず、医療や通信など、様々な分野で革新をもたらすと期待されています。
💡 産学連携による実用化が進み、近い将来、私たちの生活を大きく変える可能性を秘めています。
