Development of diode-pumped dysprosium-doped mid-infrared lasers

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05374
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
• Research Institution: National Institute for Fusion Science
• Principal Investigator: Uehara Hyori 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (20725329)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 中赤外レーザー / ASE光源 / ガスセンシング / 光ファイバーセンサー / フッ化物ガラス光ファイバー

Outline of Final Research Achievements

To achieve diode pumping of Dy3+, Er/Dy co-doped fluoride glass was developed, and a double-clad optical fiber made of that material were designed and fabricated. Using this fiber, I have successfully demonstrated an extremely broadband (2.5 to 3.7 μm wavelength) amplified spontaneous emission (ASE) source. This ASE source is useful for gas sensing because of its easy fiber coupling and the presence of various molecular absorption lines in the output wavelength range.
Based on the above, we developed a sensor equipped with the developed light source and demonstrated the first in-line type mid-infrared fluoride fiber-optic sensor. Furthermore, 4 μm band quantum cascade laser was amplified with Fe:ZnSe gain medium and succeeded in developing a sensing light source with both a line width narrower than gas absorption lines and a watt-class output.

Free Research Field

レーザー工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、まず希土類共添加の利得媒質を作製し、発光特性を評価することで、Dy系レーザーの欠点であった汎用LD励起ができない問題を解決した。ErとDy共添加フッ化物ガラスにおけるエネルギー移動を詳細に解明したことは大きな学術的進歩であるとともに、DyのLD励起を可能にしたことで、レーザー装置開発を大きく前進させた。
また、上述の新規材料を使って開発した中赤外ASE光源は従来になく広帯域で、センシング光源として優位性の高いものである。実際に、開発した光源を使った世界初のインライン型赤外式フッ化物光ファイバーセンサーを実証しており、多用途に応用可能なことから関連分野に大きなインパクトを与えた。