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2020 年度 実施状況報告書

半導体レーザー励起ジスプロシウム中赤外レーザーの開発

研究課題

研究課題/領域番号 20K05374
研究機関核融合科学研究所

研究代表者

上原 日和  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (20725329)

研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2023-03-31
キーワード広帯域光源 / 赤外光源 / 中赤外ファイバーレーザー / 光ファイバーセンサー / 赤外式センサー
研究実績の概要

本研究の目的は、小型で安価な半導体レーザー(LD)による励起が可能なジスプロシウム系中赤外レーザー光源を開発することである。
令和2年度、ジスプロシウムのLD励起を実現するため、エルビウムとジスプロシウムを共添加したフッ化物ガラス材料を新たに開発し、バルク試料を用いて添加濃度の最適化を行った。開発した材料から成るダブルクラッド型フッ化物ガラス光ファイバーを新たに設計、開発した。ファイバー中でErからDyへのエネルギー移動が効率的に誘起され、従来は困難であった波長976 nmのLDによるジスプロシウムの励起に成功した。
続いて、この光ファイバーを利得媒質利用したLD励起の自然放射増幅(ASE)光源を構築した。この光源では、最適化長さ0.5 mのダブルクラッドZBLANファイバーを、安価でマルチ横モードの976 nm LDを用いて第一クラッド層励起しており、極めてシンプルかつコンパクトな装置構成となっている。波長2.5~3.7 μmに亘る極めて広帯域なASE出力が得られており、出力は最大で3 mWであり、中赤外波長であることを考慮すると、十分に高輝度といえる。ビーム品質の指標となるM2は1.1~1.3と良好であり、高効率なシングルモードファイバー結合が可能である。本光源の波長領域には、多くのガス分子の吸収線が存在しており、さらに波長3~5 μmは、大気中の光の減衰が小さい「大気の窓」に該当するため、ガスセンシングに有用な光源といえる。
研究代表者は、高速で高感度な環境モニタリングを可能にする赤外光ファイバーセンサーの実現を目指しており、本事業で開発したASE光源の利用が大いに期待される。そのため、本技術を特許出願したのち、Scientific Reports誌にて論文化した。また、核融合科学研究所を発信源としたプレスリリースをおこない、本研究成果を広く一般に公開した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

すでにLD励起ジスプロシウム系中赤外レーザー(ASE光源)を実証しており、当初の計画よりも順調に進展している。加えて、ジスプロシウム添加フッ化カルシウム媒質の開発にも成功し、論文化しており、今後の進展も見込まれる。
また、申請時は、当該材料を用いて①ファイバーレーザーと②ASE光源の2種類の光源を開発する計画であった。いち早く①ファイバーレーザーの構築を試みたが、利得が低い等の原因で、レーザーの発振には至らなかった。開発した②ASE光源の出力・波長・ビーム特性が想定よりも良好であり、高い学術インパクトと応用可能性が期待できたため、ASE光源の開発に焦点を絞って研究を進めた次第である。

今後の研究の推進方策

令和3年度は、これまでに開発した中赤外ASE光源の最適化をおこなうとともに、これを利用したセンサーデバイスを実証する。具体的には、フッ化物光ファイバーから成る光ファイバーセンサーでの赤外ガスセンシングを試みる予定である。
また、現在開発を進めているジスプロシウム添加フッ化カルシウムセラミックス媒質のレーザー発振実証を目指す。

次年度使用額が生じた理由

コロナの影響で旅費の支出が想定を下回ったため。
今年度は、計画通り、半導体レーザー一式、ファイバーステージ等の設備を購入し、当初の予定通りに執行予定である。

  • 研究成果

    (17件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 雑誌論文 (7件) (うち国際共著 1件、 査読あり 7件、 オープンアクセス 6件) 学会発表 (4件) 備考 (2件) 産業財産権 (4件)

  • [雑誌論文] LD-pumped 2.8 μm Er:Lu2O3 ceramic laser with 6.7 W output power and >30% slope efficiency2021

    • 著者名/発表者名
      Weichao Yao, Hiyori Uehara, Shigeki Tokita, Hengjun Chen, Daisuke Konishi, Masanao Murakami, and Ryo Yasuhara
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 14 ページ: 012001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/abce9a

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Broadband mid-infrared amplified spontaneous emission from Er/Dy co-doped fluoride fiber with a simple diode-pumped configuration2021

    • 著者名/発表者名
      Kenji Goya, Akira Mori, Shigeki Tokita, Ryo Yasuhara, Tetsuo Kishi, Yoshiaki Nishijima, Setsuhisa Tanabe, and Hiyori Uehara
    • 雑誌名

      Scientific Reports

      巻: 11 ページ: 5432

    • DOI

      10.1038/s41598-021-84950-y

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 40kHz, 20ns acousto-optically Q-switched 4um Fe:ZnSe laser pumped by a fluoride fiber laser2020

    • 著者名/発表者名
      Hiyori Uehara, Takanori Tsunai, Bingyu Han, Kenji Goya, Ryo Yasuhara, Fedor Potemkin, Junji Kawanaka, and Shigeki Tokita
    • 雑誌名

      Optics Letters

      巻: 45 ページ: 2788-2791

    • DOI

      10.1364/OL.391365

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Highly efficient Er:YAP laser with 6.9 W of output power at 2920 nm2020

    • 著者名/発表者名
      Weichao Yao, Hiyori Uehara, Hiroki Kawase, Hengjun Chen, and Ryo Yasuhara
    • 雑誌名

      Optics Express

      巻: 28 ページ: 19000-19007

    • DOI

      10.1364/OE.395802

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dy-doped CaF2 transparent ceramics as a functional medium in the broadband mid-infrared spectral region2020

    • 著者名/発表者名
      Hiyori Uehara, Weichao Yao, Akio Ikesue, Hiroyuki Noto, Hengjun Chen, Yoshimitsu Hishinuma, Takeo Muroga, and Ryo Yasuhara
    • 雑誌名

      OSA Continuum

      巻: 3 ページ: 1811-1818

    • DOI

      10.1364/OSAC.398079

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Dy-doped Y2O3 transparent ceramics as a mid-infrared laser medium and saturable absorber2020

    • 著者名/発表者名
      Ryo Yasuhara, Hiyori Uehara, Weichao Yao, Hengjun Chen, Shigeki Tokita, and Hiroaki Furuse
    • 雑誌名

      Optical Materials Express

      巻: 10 ページ: 2998-3006

    • DOI

      10.1364/OME.409848

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Spectroscopic properties of Er:BZMT ceramics for laser emission2020

    • 著者名/発表者名
      Weichao Yao, Hengjun Chen, Hiyori Uehara, and Ryo Yasuhara
    • 雑誌名

      Optical Materials Express

      巻: 10 ページ: 3226-3234

    • DOI

      10.1364/OME.408858

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 受賞記念:3μm帯および4μm帯の高出力固体・ファイバーレーザーの開発2021

    • 著者名/発表者名
      時田茂樹、上原日和、合谷賢治、村上政直、小西大介、佐原諒、小田晃一、ヒョードル・ポチョムキン、アンドレイ・プーシキン
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第41回年次大会
  • [学会発表] LD励起・広帯域中赤外ファイバー光源の開発2021

    • 著者名/発表者名
      上原日和、合谷賢治、安原亮、時田茂樹、岸哲生、田部勢津久
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第41回年次大会
  • [学会発表] 広帯域な中赤外ファイバーASE光源の開発2021

    • 著者名/発表者名
      上原日和、合谷賢治、時田茂樹、安原亮、西島喜明、岸哲生、田部勢津久
    • 学会等名
      第68回応用物理学会春季学術講演会
  • [学会発表] High power Er:Lu2O3 ceramic laser at 2.8 μm2020

    • 著者名/発表者名
      Weichao Yao, Hiyori Uehara, Hengjun Chen, Hiroki Kawase, Ryo Yasuhara
    • 学会等名
      第81回応用物理学会秋季学術講演会
  • [備考] 【プレスリリース】環境モニタリングや医療など幅広い応用が期待される赤外光源を開発

    • URL

      https://www.nifs.ac.jp/press/210311.html

  • [備考] 【研究活動状況】環境モニタリングや医療など幅広い応用が期待される赤外光源を開発

    • URL

      https://www.nifs.ac.jp/lhdreport/mailinfo_345.html

  • [産業財産権] 光ファイバーおよびファイバーセンサ2021

    • 発明者名
      合谷賢治、上原日和
    • 権利者名
      秋田県立大学、自然科学研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2021-069885
  • [産業財産権] レーザ発振器2021

    • 発明者名
      安原亮、チェン・エンジュン、上原日和
    • 権利者名
      自然科学研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2021-004189
  • [産業財産権] 可飽和吸収体およびレーザ発振器2020

    • 発明者名
      上原日和、安原亮
    • 権利者名
      自然科学研究機構
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2020-058899
  • [産業財産権] 光ファイバおよびASE光源2020

    • 発明者名
      上原日和、安原亮、合谷賢治
    • 権利者名
      自然科学研究機構、秋田県立大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2020-208308

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公開日: 2021-12-27  

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