Development of innovative solar-driven optical amplification systems

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本研究では、光ファイバ通信やレーザー発振時に不可欠な光増幅を、レーザーのようなハイパワー励起ではなく、太陽光励起により実現する革新的な光増幅システムの創出を目的とし、色素（ドナー）からの高効率エネルギー移動を利用した微弱な光で希土類イオンの反転分布形成を促す新しい光増幅手法の確立を目指す。一般に光増幅には、希土類イオンを光ファイバのコアであるシリカ等に添加し増幅媒体とした光ファイバ増幅器が用いられている。各種の光通信波長帯を増幅するため、エルビウムイオン（Er3+）などが利用されているが、反転分布形成には半導体レーザーを用いた光励起が必要となる。本研究では、光吸収能の非常に高いペロブスカイト系化合物や有機分子などの色素と希土類イオンを融合し、それらの間で生じる励起エネルギー移動を利用することで、太陽光よりも微弱な光による希土類イオンの反転分布状態の形成と光増幅を実現する革新的な手法を構築する。2022年度はペロブスカイト結晶をエネルギードナーとした光増幅系の構築と自然放射増幅光の発現を目指し研究を行った。希土類イオンのエネルギードナーとして、高い光吸収能を持つハロゲン化鉛ペロブスカイト化合物（以下、PB）を用いた。PBの基本構造は、熱安定性の高いABX3（A = Cs+; B = Pb2+ or Sn2+; X = Cl－ or Br－）とし、その格子内あるいは層間に希土類イオン（Er3+, Pr3+, Nd3+, Tm3+, Yb3+）を配列させた。2021年度までに、PBの強い光吸収とPB-希土類イオン間で生じるquantum-cutting機構を利用することで、太陽光レベルの光照射により近赤外発光を100％以上の効率で促すことに成功している。2022年度はこれらの材料を高分子材料に分散させたフィルムを構築し、レーザー照射による自然放射増幅光の検出に成功した。