Cr:ZnSを用いた中赤外超短パルス光源の開発とアプリケーションの新規開拓

• Project/Area Number: 20J22067
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: Kyoto University (2022); The University of Tokyo (2020-2021)
• Principal Investigator: 岡崎 大樹 京都大学, 化学研究所, 助教
• Project Period (FY): 2020-04-24 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥3,100,000 (Direct Cost: ¥3,100,000); Fiscal Year 2022: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2021: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2020: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: 中赤外 / 超高速 / レーザー / Cr:ZnS / モード同期 / フェムト秒 / 超短パルス

Outline of Research at the Start

本研究ではCr:ZnSをレーザー媒質として用いた中赤外領域でフェムト秒発振するレーザーの開発を目的とする．
Cr:ZnSは中赤外領域に広がる蛍光を有しているため，複雑な周波数変換法を必要としない優れた新規光源システムの実現に有望視される材料であり，ユーザビリティ・設備コスト・エネルギー利用効率の優れた中赤外超短パルス光源を実現することから，超高速光科学の研究プラットフォームの拡大を推進することが期待される．さらに，本研究ではCr:ZnS中赤外光周波数コムを開発することでレーザーの更なる高機能化を図り，分子振動分光や光電場駆動現象を舞台とした新規アプリケーションの開拓も目的とする．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，これまでに開発してきたCr:ZnSモード同期レーザーのさらなる高機能化を目的としている．昨年度，分子振動の共鳴周波数とリンクしたスペクトルピーク構造を，Cr:ZnSモード同期レーザーが示す広帯域スペクトルに畳み込むことに成功した．この成果は，分子振動の共鳴周波数を使用した新規な周波数安定化による光周波数コムの実現可能性を示唆している．
本年度はモード同期に関する自作の数値計算プログラムを作成し，得られたスペクトルピーク構造の形成メカニズムの解明を行った．光共振器中のレーザー結晶においてフェムト秒パルスが誘起する強い非線形位相シフトにより，フェムト秒レーザーパルスと分子からの放射光とが強め合いの干渉を起こすことで狭線幅なスペクトルピーク構造が形成されることが分かった．この現象は光ファイバー中で報告されているスペクトルピーキング現象に類似していることが確認された．また，実験において，適切な光学調整によって左右対称な狭線幅スペクトルピーク構造を実現することに成功した．
本研究で得られた，狭線幅のスペクトルピーク構造を分子の振動回転遷移周波数において随伴するレーザーは，エネルギーを特定の周波数成分へと局在させることで分子との反応性を向上させた新規な振動分光用光源としての応用展開も期待できる.
以上の成果をまとめ，Optics Letters誌，及び，国内外の学会にて報告した．
また，通常型のCr:ZnSモード同期レーザーを使用した電子操作に関する応用研究，ならびに，高速微小分子検出に関する応用研究を進めた．

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Mode-locked laser oscillation with spectral peaks at molecular rovibrational transition lines (2022)
  • Author(s): Okazaki Daiki、Song Wenqing、Morichika Ikki、Ashihara Satoshi
  • Journal Title: Optics Letters Volume: 47(23) Issue: 23 Pages: 6077-6077
  • DOI: 10.1364/ol.477555
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Broadband background-free vibrational spectroscopy using a mode-locked Cr:ZnS laser (2022)
  • Author(s): Song Wenqing、Okazaki Daiki、Morichika Ikki、Ashihara Satoshi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 30(21) Issue: 21 Pages: 38674-38674
  • DOI: 10.1364/oe.470893
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Inherent intensity noise suppression in a mode-locked polycrystalline Cr:ZnS oscillator (2022)
  • Author(s): Bu Xiangbao、Okazaki Daiki、Ashihara Satoshi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 30 Issue: 6 Pages: 8517-8517
  • DOI: 10.1364/oe.453382
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Direct electric-field reconstruction of few-cycle mid-infrared pulses in the nanojoule energy range (2022)
  • Author(s): Kugel Tobias、Okazaki Daiki、Arai Ko、Ashihara Satoshi
  • Journal Title: Applied Optics Volume: 61 Issue: 4 Pages: 1076-1076
  • DOI: 10.1364/ao.446473
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cr:ZnSを用いた中赤外モード同期レーザーの開発 (2021)
  • Author(s): 岡崎 大樹、芦原 聡
  • Journal Title: レーザー学会誌 レーザー研究７月号 Volume: 7 Pages: 390-395
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Ultrafast saturable absorption of large-diameter single-walled carbon nanotubes for passive mode locking in the mid-infrared (2020)
  • Author(s): Okazaki Daiki、Morichika Ikki、Arai Hayato、Kauppinen Esko、Zhang Qiang、Anisimov Anton、Varjos Ilkka、Chiashi Shohei、Maruyama Shigeo、Ashihara Satoshi
  • Journal Title: Optics Express Volume: 28 Issue: 14 Pages: 19997-19997
  • DOI: 10.1364/oe.395962
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Mode-locked Pulses with Narrowband Comb-like Peaks Formed by Intracavity Amplitude Modulation from Gaseous Molecules (2023)
  • Author(s): Daiki Okazaki, Wenqing Song, Ikki Morichika, Satoshi Ashihara
  • Organizer: CLEO/Europe-EQEC 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 分子の指紋を重畳したCr:ZnS中赤外モード同期レーザー (2022)
  • Author(s): 岡崎 大樹，芦原 聡
  • Organizer: レーザー学会第570回研究会「次世代ファイバレーザー技術」
  • Invited
• [Presentation] 共振器内に気相分子を挿入したモード同期レーザーにおける狭線幅スペクトルピークの形成 (2022)
  • Author(s): 岡崎 大樹, 宋 文清, 森近 一貴, 芦原 聡
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Mode-locked Cr:ZnS laser with multiple spectral peaks at molecular vibrational resonances (2022)
  • Author(s): Daiki Okazaki, Wenqing Song, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS Pacific Rim 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mode-locked Cr:ZnS laser with positive peak structure of gaseous molecules (2022)
  • Author(s): Daiki Okazaki, Wenqing Song, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: OPTICS & PHOTONICS International Congress (OPIC) 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical manipulation of electron emission at metal-insulator interface for all-solid-state light phase detector (2022)
  • Author(s): Ko Arai, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: OPTICS & PHOTONICS International Congress (OPIC) 2022,
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] All-Solid-State Optical Field Detector Using Metal-Insulator Hybrid Nanostructures (2022)
  • Author(s): Ko Arai, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: International Conference on Ultrafast Phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical Field Detector for Sub-Nanojoule Pulses using Insulator-Encapsulated Metal Nanostructures” (2022)
  • Author(s): Ko Arai, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS Pacific Rim 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Background-Free Vibrational Spectroscopy based on Destructive Interference around 2.3 um (2022)
  • Author(s): Wenqing Song, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: CONFERENCE ON LASERS AND ELECTRO-OPTICS Pacific Rim 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Vibrational Dispersion Spectroscopy based on Phase-Shifting Spectral Interferometry (2022)
  • Author(s): Wenqing Song, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 赤外モード同期レーザーを用いたバックグラウンドフリー相関分光法の開発 (2022)
  • Author(s): 藤原 心, 宋 文清, 岡崎 大樹, 森近 一貴, 芦原 聡
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会OPJ2022
• [Presentation] High-sensitivity absorption and dispersion vibrational spectroscopy based on balanced interferometer using a Cr:ZnS mode-locked laser (2022)
  • Author(s): Wenqing Song, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会OPJ2022
• [Presentation] Frequency-Modulation Mode-Locked Cr:ZnS Laser (2022)
  • Author(s): Zheyuan Zhang, Daiki Okazaki, Xiangbao Bu, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 赤外モード同期レーザーを用いたバックグラウンドフリー相関分光法 (2022)
  • Author(s): 藤原 心，宋 文清，岡﨑 大樹，森近 一貴，芦原 聡
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 分子の指紋を重畳したモード同期固体レーザーの発振動作解析 (2022)
  • Author(s): 岡崎 大樹， 宋 文清, 森近 一貴, 芦原 聡
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 金属-誘電体ハイブリッド構造を用いた光電場計測素子の開発 (2022)
  • Author(s): 新井 滉, 岡崎 大樹, 森近 一貴, 芦原 聡
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] スペクトル変調赤外レーザーを用いたバックグラウンドフリー相関分光 (2022)
  • Author(s): 藤原 心, 宋 文清, 岡崎 大樹, 森近 一貴, 芦原 聡
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Interferometer-Based Background-Free Vibrational Spectroscopy using a Cr: ZnS Mode-Locked Laser (2022)
  • Author(s): Wenqing Song, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Two-dimensional spectral shearing interferometry (2DSI) designed for mode-locked Cr:ZnS lasers (2021)
  • Author(s): Tobias Kugel, Daiki Okazaki, Ko Arai, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: CLEO Europe-EQEC 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 分子の指紋を重畳したモード同期Cr:ZnSレーザー (2021)
  • Author(s): 岡崎 大樹，Song Wenqing，森近 一貴，芦原 聡
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会OPJ2021
• [Presentation] モード同期Cr:ZnSレーザーを用いた共振器内ガス分光 (2021)
  • Author(s): 岡崎 大樹, Wenqing Song, 森近 一貴, 芦原 聡
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Direct diode-pumping of a mode-locked Cr:ZnS oscillator (2021)
  • Author(s): Xiangbao Bu，Daiki Okazaki，Satoshi Ashihara
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会OPJ2021
• [Presentation] MIMプラズモン構造を用いた光電場計測素子の開発 (2021)
  • Author(s): 新井 滉，岡崎 大樹，森近 一貴，芦原 聡
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会OPJ2021
• [Presentation] Limit of Detection Analysis on the Background-free Vibrational Spectroscopy (2021)
  • Author(s): Wenqing Song, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, Satoshi Ashihara
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Relative intensity noise properties of a diode-pumped Cr:ZnS femtosecond oscillator (2021)
  • Author(s): Xiangbao Bu, Daiki Okazaki, Satoshi Ashihara
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Background-Free Absorption Spectroscopy on Methane using Mode-Locked Cr:ZnS Laser (2021)
  • Author(s): Wenqing Song, Daiki Okazaki, Ikki Morichika, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: 第 68 回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] ZBLANファイバーを用いたCr:ZnSレーザーパルスの周波数変換 (2021)
  • Author(s): 岡崎 大樹，He Yang，Zeng Xianglong，芦原 聡
  • Organizer: 第 68 回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 金ナノ構造からの電子放出を用いた光電場計測素子の開発 II (2021)
  • Author(s): 新井 滉，岡崎 大樹，森近 一貴，芦原 聡
  • Organizer: 第 68 回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Pulse characterization based on two-dimensional spectral shearing interferometry for Cr:ZnS oscillator pulses (2021)
  • Author(s): Tobias Kugel, Daiki Okazaki, Ko Arai, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: 第 68 回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Design and development of two-dimensional spectral shearing interferometry for mode-locked Cr:ZnS laser pulses (2021)
  • Author(s): Tobias Kugel, Daiki Okazaki, Ko Arai, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: レーザー学会学術講演会第 41 回年次大会
• [Presentation] 金ナノ構造からの電子放出を用いた光電場計測光電界電子放出を用いたキャリア・エンベロープ位相計測素子の開発 (2020)
  • Author(s): 新井 滉，岡崎 大樹，森近 一貴，芦原 聡
  • Organizer: 日本光学会年次学術講演会 OPJ2020
• [Presentation] Cr:ZnSレーザーによる4.7 サイクル中赤外パルス発生とその増幅 (2020)
  • Author(s): 岡崎 大樹，Kaupinnen Esko，千足 昇平，丸山 茂夫，芦原 聡
  • Organizer: 第 81 回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 金ナノ構造からの電子放出を用いた光電場計測素子の開発 (2020)
  • Author(s): 新井 滉，岡崎 大樹，森近 一貴，芦原 聡
  • Organizer: 第 81 回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Sub 5-cycle pulse generation from mode-locked Cr:ZnS laser using mid-IR resonant SWCNTs (2020)
  • Author(s): Daiki Okazaki, Ikki Morichika, Esko Kauppinen, Zhang Qiang, Anton Anisimov, Varjos Ilkka, Shohei Chiashi, Shigeo Maruyama, Satoshi Ashihara
  • Organizer: The 22nd International Conference on Ultrafast Phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cr:ZnS laser pulse characterization by two-dimensional spectral shearing interferometry (2020)
  • Author(s): Tobias Kugel, Daiki Okazaki, Ko Arai, and Satoshi Ashihara
  • Organizer: OSJ-OSA-OSK Joint Symposia in Optics & Photonics Japan 2020, 14pCJ4
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cr2+:ZnS を用いた中赤外モード同期レーザーの開発 (2020)
  • Author(s): 岡崎 大樹，芦原 聡
  • Organizer: 第5回超高速光エレクトロニクス研究会
  • Invited
• [Remarks] 東京大学 生産技術研究所 芦原研究室
  • URL: http://www.ashihara.iis.u-tokyo.ac.jp/wordpress/research/lightsource/