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Development of innovative solar-driven optical amplification systems

Research Project

Project/Area Number 21K19031
Research Category

Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Medium-sized Section 36:Inorganic materials chemistry, energy-related chemistry, and related fields
Research InstitutionWaseda University (2023)
Teikyo University of Science & Technology (2021-2022)

Principal Investigator

Ishii Ayumi  早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (70406833)

Project Period (FY) 2021-07-09 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords光増幅 / 希土類 / ペロブスカイト / 太陽光 / レーザ発振 / 太陽光照射 / 励起エネルギー移動
Outline of Research at the Start

光ファイバ増幅やレーザー発振には希土類イオン(エルビウム(Er)など)を添加した固体媒体が多く用いられており、これらは外部から光を照射し希土類イオンのエネルギー状態に反転分布を形成させることで光を増幅させる。一方、希土類イオンの電子遷移は禁制遷移であり、その吸収強度は非常に弱い。そのため、高い励起状態密度(反転分布形成)を得るにはレーザーなどのハイパワーな励起光源が必要となる。希土類イオンの反転分布形成を太陽光のような微弱な励起光源で促すことが可能となれば、簡便かつ環境負荷の少ない光増幅での長距離光通信やレーザー発振が実現できる。

Outline of Final Research Achievements

In this study, we proposed an innovative method for the formation of inverted distribution states and optical amplification in lanthanide ions by sunlight irradiation. The hybrid structure with dyes such as perovskite compounds and organic molecules with high optical absorption properties can enhanced the formation of multiple excitation states in lanthanide ions through the excitation energy transfer from dyes to lanthanide ions. Here, we show highly efficient optical amplification in lanthanide ions by using the quantum-cutting energy transfer mechanism, which can convert one photon absorption of dyes to two photon emission of lanthanide ions, and the up-conversion process, which can convert near-infrared light to visible light energy.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

IoTやビッグデータ等によるポストコロナ時代に向けたデータ量の急速な拡大に伴い、光通信における大容量・高速化を低消費電力でサステナブルに実現するための技術開発が必要とされている。本研究は、エネルギー密度の低い太陽光を励起光源とし、極めて高いエネルギー密度の光として増幅する革新的な提案である。太陽光程度の微弱光源での光増幅が可能となれば、これまでの長距離光通信やレーザー開発において、革新的な技術となりうる。エネルギー問題が深刻化している日本のみならず、世界各国や航空宇宙開発への波及効果は大きく、将来の科学技術の体系を変革させるとともに、その発展に大きく貢献するものと考えられる。

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (16 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 9 results)

  • [Journal Article] Up-converting near-infrared light detection in lead halide perovskite with core/shell lanthanide nanoparticles2023

    • Author(s)
      A. Ishii, T. Miyasaka
    • Journal Title

      Adv. Photon. Res.

      Volume: 4 Issue: 2 Pages: 2200222-2200222

    • DOI

      10.1002/adpr.202200222

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 高効率・広帯域な光エネルギー変換を可能とする有機無機ハイブリッドマテリアルの創製2024

    • Author(s)
      石井あゆみ
    • Organizer
      日本化学会 第104春季年会 (2024) アジア国際シンポジウム―ナノテク・材料化学ディビジョン/資源・エネルギー・地球化学・核化学・放射化学ディビジョン―
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 希土類イオンによるハロゲン化鉛ペロブスカイト単結晶の発光制御2024

    • Author(s)
      能登 瑞樹, 山田 知英, 石井 あゆみ
    • Organizer
      日本化学会 第104春季年会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] ハイブリッド型希土類アップコンバージョン粒子の合成と発光波長制御2024

    • Author(s)
      溝口 隆介, Truptimayee Behera, 小松崎 涼太, 石井 あゆみ
    • Organizer
      日本化学会 第104春季年会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 有機無機ハイブリッド低次元マテリアルによる光情報検出2023

    • Author(s)
      石井あゆみ
    • Organizer
      第5回錯体化学会フロンティアセミナー
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 太陽光広帯域利用に向けたアプローチ:近赤外光を可視光に変換するアップコンバージョンナノ粒子の開発2023

    • Author(s)
      石井あゆみ
    • Organizer
      応用電子物性分科会研究例会
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 近赤外光を可視光に変換するアップコンバージョンナノ粒子の開発2023

    • Author(s)
      石井あゆみ
    • Organizer
      第13回 CSJ化学フェスタ2023
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] Light- and Spin-induced Photofunctional Hybrid Materials2023

    • Author(s)
      石井あゆみ
    • Organizer
      錯体化学会 第73回討論会シンポジウム[S3-03] Exploring the synergy of advanced complex materials with light and spin: from fundamental understanding to functionality
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 有機-無機ハイブリッドによる新規光機能性希土類ナノ材料の開発2023

    • Author(s)
      石井あゆみ
    • Organizer
      第39回希土類討論会受賞講演
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      2023 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 希土類イオン添加による低次元ペロブスカイト結晶薄膜の構造制御と光電気化学特性2023

    • Author(s)
      深澤 敦, 石井あゆみ
    • Organizer
      第39回希土類討論会
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      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Lanthanide-Sensitized Optoelectronic Functions of Lead Halide Perovskites2022

    • Author(s)
      A. Ishii
    • Organizer
      The 8th Asian Conference on Coordination Chemistry (ACCC8)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 有機-無機ハイブリッド材料が生み出す新奇光機能2022

    • Author(s)
      石井あゆみ
    • Organizer
      セラミックス協会第35回秋季シンポジウム
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      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] 希土類-ペロブスカイトハイブリッド薄膜の量子切断型近赤外発光2022

    • Author(s)
      石井あゆみ
    • Organizer
      第33回配位化合物の光化学討論会
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  • [Presentation] キラル分子を導入したハイブリッド型ペロブスカイト単結晶の光および電気化学特性2022

    • Author(s)
      曽根 涼平、石井 あゆみ
    • Organizer
      日本化学会第102春季年会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 有機キラル分子によるぺロブスカイト結晶薄膜のらせん配列制御と光物性2022

    • Author(s)
      深澤 敦、石井あゆみ
    • Organizer
      日本化学会第102春季年会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] アップコンバージョン発光の高効率化に向けたハイブリッド型希土類ナノ粒子の結晶構造制御2022

    • Author(s)
      溝口 隆介、太田 充紀、石井 あゆみ
    • Organizer
      日本化学会第102春季年会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 見えない光を見える光に:有機-無機ハイブリッド材料によるアプローチ2022

    • Author(s)
      石井あゆみ
    • Organizer
      第43回光化学若手の会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Invited

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Published: 2021-07-13   Modified: 2025-01-30  

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