ダイヤモンドを用いた広帯域波長変換に成功

強い光と物質の相互作用に関する研究は、１９６０年にレーザーが開発されて以降、非線形光学分野として発展してきました。その中でも特に活発に研究されているのが高調波発生です。非線形光学結晶にレーザー光を照射した際に、その周波数の整数倍の光が放出される現象で、２倍の周波数の光が発生する場合を第二高調波発生、３倍の場合を第三高調波発生と呼びます。レーザー光の波長を変換する際などに用いられます。そして近年は、光共振器や光導波路などの光通信用技術としてダイヤモンド非線形光学が進展してきました。

本研究では、ダイヤモンドの表面近傍に窒素－空孔（ＮＶ）センターと呼ばれる欠陥を導入してダイヤモンド結晶の対称性を操作し、第二高調波、第三高調波発生など、広帯域の波長変換を行うことに成功しました。

この実験で波長変換の効率を評価したところ、第二高調波が第三高調波と同程度の高効率で生成されていました。その理由として、第二高調波がダイヤモンドの表面に極めて近い深さ約３５ナノメートル（ナノメートルは１０億分の１メートル）の領域で発生し、第三高調波の駆動力となっていることが明らかになりました。

また、このダイヤモンド中ＮＶセンターの非線形光学効果により、波長１３５０～１６００ナノメートルの赤外光が、波長４５０～８００ナノメートルの可視～近赤外光にわたる広い帯域で波長変換でき、短い波長ほどその変換効率が高いことも判明しました。

ダイヤモンド中ＮＶセンターによる第二高調波発生、すなわち電場振幅の２乗に比例する２次の非線形光学効果が可能となれば、ダイヤモンド結晶では今までできなかった電場による屈折率変調（電気－光学効果）なども可能となり、ダイヤモンド非線形光学の新領域を開拓できます。さらに、第二高調波発生や電気－光学効果などを利用した新しい量子センシングの開発への貢献も期待されます。

本成果は２０２１年３月１８日（日本時間）、国際科学誌「ＡＣＳ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ」に掲載されます。