別紙42 (課程博士(和文))
2024年

1月4日

im pang Boey
電気・電子情報工学専攻

学籍番号第 173270 号

指導教員 中村雄一
田裕久

氏名吉原優紀論文内容の要旨(博士)
博士学位論文名

集積型スピン制御レーザーに向けた磁気光学マイクロ構造体の開発(要旨 1,200字程度)
情報通信、材料、医療などの幅広い産業分野にわたり小型かつ高出力なレーザー機器の実現が求められている。磁気光学材料で共振器内の光吸収を御Ⅱ卸する陌茲気光学Qスイッチ」とそれを用いた「スピン御H卸レーザー」(SCL)は集積化可能な能動型Qスィッチレーザーとして着目を集めている。しかし、レーザー共振器と集積でき、かつ磁気光学Qスィッチとしての動作が可能な磁気光学材料の研究開発はとれまで行われてこなかった。本研究では、集積型スピン制御レーザーを実現するために必要な、磁気光学材料およびマイクロ構造体を開発することを目的とした。
まず、集積型SCLに求められる磁気光学材料の特性要件を整理した。 SCLの動作実証に関する報告とその動作原理、そして異なるファラデー回転角を有する磁気光学結晶を用いた磁気光学Q
スィッチ発振実験から、(1)14.6度以上のファラデー回転角を有すること、(2)迷路状磁区構造を発現すること、(3)成膜による形成が可能であること、(4)レーザー結晶上に形成が可能であること、の4点が本研究で作製する材料もしくは構造体で実現されるべき要件であると決定した。
本研究では近赤外波長域で良好な特性を示すセリウム置換イットリウム鉄ガーネット(ce:YIG)
を磁気光学材料として使用した。イオンビームスパッタ(1BS)法によるCe:YIG作製条件探査のため、真空アニール法を併用して多結晶Ce:YIGを作製した。多結晶膜として先行研究の3倍以上の磁気光学性能指数が得られた一方、各特性は膜厚依存性を示した。これは非晶質界面層の形成および厚膜表面の割れによるものであった。厚膜化による大きなファラテー回転角と磁区構造を得るために、 ce:YIGと類似した結晶特性を有するガーネットを基板材料とする必要が生じた。

レーザー結晶として一般的に用いられるイットリウムアルミニウムガーネット(YAG)およびガドリニウムガリウムガーネット(GGG)結晶基板上に、 1BS法でCe:YIGのエピタキシャル成長を行つた。これまでにCe:YIGⅣAGの成長伊打よなかったが、いずれの基板にも磁気光学ヰ予性を示すCe:YIG膜を成長するととができた。 GGG上Ce:YIG膜は基板との格子定数差によって面内圧縮応力を受け、その磁歪特性から垂直磁気異方性を示し、迷路状磁区構造が得られた。また、既都値と同等のファラデー回転角を波長1064nmで示した。格子不整合が約3%におよぶCe:YIG/YAGでは膜中に柱状の格子欠陥が生じており、磁気光学性能の低下と面内磁気異方性を誘起していた。
迷路状磁区構造と十分なファラデー回転角を両立するCe:YIG厚膜を作製するために、 ce:YIGとGGGから成るオールガーネット磁性フォトニック結晶(AG・MPC)の構造を提案した。 ce:YIGとGGGとの屈折率差による光の局在で、厚膜領域でも磁気光学性能を維持し、周期的なGGGの積層で垂直磁気異方性の発現に彪、要な格子歪みをCe:YIGに印加した。設計はマトリクスアプローチ法で行い、合計20ぺア40層のAG・MPCをGGG上に作製した。設計波長1064nmに対して1111nmで光の局在ピークが現れ、 48.3%の透過率と‑4.2度のファラデー回転角が得られた。垂直磁気異方性を有し、迷路状磁区構造が観察された。同様の設計のAG・MPCを直径5mm、厚さ3mmのNd置換型GGGレーザー結晶上に形成し、単層膜同等のファラデー回転角と迷路状磁区構造が実際のレーザー結晶上で両立することを確認した。構造の軽微な修正と成膜条件等の最適化で要件を達成可能であることをシミュレーション上で明らかにした。以上の結果もって、本研究で集積型スピン制御レーザーに向けた磁気光学マイクロ構造体の開発を達成した。

呂1絲氏 41 (課程博士(英文))Date of submission (month day, year)

DepartmentOf

ElectricalD173270
SuperⅥSors

Electronic lnformation En号ineeTin宮YukiYoshihara

PP11Cant's nameang Boey LlmandtudentlD Number

1 4 2024

UichiNakamura
11'011aga Uchida

Abst"act (Doct0わ
Title ofThesis

Development ofmag11etooptical microstl'uctures for integrated spin・contr0Ⅱed lasel'S

Approx.80o wm'ds
The development of compact, high・powalaser systems is highly desil'ed across various induslrial sectors,
including information techn010gy, material science, and medicalinduS廿ies. Magnetooptical(MO) Q・switches,
Which utiⅡZe Mo materials to contr01 0ptical abs0ゆtion in the laser cavity, and spin・contr0Ⅱed laS引'S (SCLS)
based on this techn010gy are attracting attention as the active Q・switched lasa's that can be fabricated as on・chゆIaser devices. HO、¥ever, the development of Mo materials that can be h〕tegl'ated with the laser cl'ystal or cavity
direcuy and 6.1nctionable as MO Q・switches has not yet been accomplished. Thus, the aim of this study is tofocus on developing Mo matel'ials and microstructures that wi11 enable the realization ofintegrated scLS、
As a 6rst step, the characteristic requirements of the Mo material to be developed in lhis study wasOrganized. The organization ofthese requirements involved referencing previous scL studies and principles. TheMO Q、switd〕ing osci11ation expel'iments with the bulk Mo crystals which has each different Faraday rotation(FR) angles was also canied out.1hrough these conslderations, four essential characteristic requirements 、¥ere
eslablished for this study:(D demonstl'ating a 14.6 degrees of FR angle,(2) exhiblting a ma即letic maze・domainStruct醐'e, B) being fab"cable tl〕rough sputter deposition, and (4) enabling direct fabrication on laser crystal.
Cerium・substHuted yttrium iron 8amet (ce:YIG) emerges as an exce11ent candidate for this study due to its
favorable Mo properties in the near・infrared wavelength region. To investigate the fabrication conditions ofCe:YIG thin 丘lms, polycrystaⅡine ce:YIG 61ms of various thicknesses were fabrlcated using ion beam
Sputterin8 dBS) and a vacuum anneaHng method. A threefold incl'ease in the Mo flgure ofmerit was achieved,
Surpassing previous reporrs as polycrysta11ine 61m. HO、Never, the observed characteristics exhibited a dependence
On film thickness. The fomlation of interfacial amorphous layel's and surface cracks in thicker 丘lms 、vas noted.
Achieving a large FR angle and a magnetic maze‑domain structure in thicker 行lms necessitated the 8roMh ofCe:YIG 61ms on a gametsubstrate thatis both stNcturaⅡy and thenna11y compatible W武h ce:YIG.
Ce:YIG 丘lms were epitaxiaⅡy 今rown onto the yttrium aluminum gamet (YAG) and gad0Ⅱnium ga11ium
gamet (GGG) crystal substrates, which commonly used as the laser crystals. Epitaxial ce:YIG 丘lms 、¥hichexhibitino Mo characteristics were obtained on each substrate though there are no fonner reports about

Ce:YIG八"AG groMh. ce:YIG grown on GGG undergoes in・plane compl'essive strain which induces
Perpendicular magnetic anisotropy (PMA) and formation of a maze・domain structure because of themagnetoelastic properties of ce:YIG. FU11hermore, a FR angle comparable to earlier repods was observed at aWavelength of l064 nm on ce:YIG/GGG. ce:YIG on YAG exhibited columnar・shaped lattice deformation,atrributed to approximately a 3% 1atrice mismatch, causing degradation in both magnetic propelties and pN上へ.
To meet the requirements of having a sufacient FR angle and a maze dolnain structure, the aⅡ・gamet
magnetophotonic crystal(AG・MPC) structure consisted by ce:YIG and GGG layers was proposed. Difference ofOptical constants bet、Neen ce:YIG and GGG layers lead to Hght localization at speciac wavelength, preserving
Mo perfonnance even in thick 側ms. periodic GGG layel's applies lat[ice distortion to ce:YIG, which isnecessary to induce pMA.40 layers AG・Mpc consisted with 20 pairs of ce:YIG and GGG was desi8ned bymatrix approach method. AG・Mpc was fabricated onto the GGG substrate by lBS. The center wavelength of1111 nm was obselved instead ofthe desi即ed center wavelength of l064 nm. Fabricated AG・Mpc showed ‑42

degrees of FR and 4839'、o oftransmi廿ivity atthe center wavelength. PNIA and maze・domain structure were also
ObseNed. same structure was fabricated onto the actual Nd:GGG laser clystal rod. The FR an旦le whic})equivalen6 to the ce:YIG monolayer 61m was obtained. The maze・domain structure was also demonstrated on
the AG、Mpc fabricated by lBs on the actua11aser crystal directly. simulation results sho、¥ed that theCharacteristic requirements can be achieved with optimization of the AG・Mpc structure and deposition
Conditions、圦lith these results,the development ofMo microstructures for inte8rated scLs has achieved.