レーザ科学研究室は、2019年4月から発足した研究室です。この研究室の最大の特色は、世界でトップクラスの性能を持ったレーザを作れる技術を持っていることです。例えば、世界で最も短い7フェムト秒の赤外光パルスを発生するレーザや、特殊なファイバをレーザ媒質とした高性能ファイバレーザなどを作る技術です。
これらの新規レーザを使った独自の計測技術の開発も行っています。光と物質の相互作用をうまく使った非接触・非染色での化学イメージングや、光の吸収を正の信号として捉える無背景光吸収分光などです。また、光の波を直接計測する独自の技術を持っていることも大きな特色です。学外の生命科学の研究室や企業との共同研究を進めていることもユニークな点と言えます。
高強度の光を媒質中に集光すると、非線形効果による屈折率の増大とプラズマ生成による屈折率の減少が釣り合い、 光が集光された状態で長い距離を伝搬します。これはフィラメンテーションと呼ばれている現象です。 このフィラメンテーション法を用いることで、 世界で最も短い7フェムト秒の中赤外光パルスの発生に成功しています。 これは、光電場が一回しか振動しないような、極限的に短いパルスを容易に発生できる画期的な手法であり、 超高速光科学の分野で注目されている技術です [IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 21 8700612 (2015), Opt. Express 28 36527 (2020)など]。 また、この中赤外光パルスを利用して、高感度な赤外スペクトル計測やハイパースペクトラルイメージング装置の開発を進めています[ Nat. Commun. 14 3929 (2023), Opt. Express 32 27670 (2024), Opt. Express 34 5857 (2026), Opt. Continuum 5 2219 (2026)など]。
本研究室でハイパースペクトルイメージング装置の開発に携わった趙PD研究員は2023年に室蘭工業大学の准教授として着任し、光量子工学研究室を主宰することになりました。現在でも共同研究を継続しており、バイオマテリアルやマイクロプラスチックなどの様々な試料を本研究室のハイパースペクトルイメージング装置で計測し、生命科学や環境科学の進展に貢献する成果を上げています[ Langmuir 41 6247 (2025) , Talanta 306 129718 (2026) ]。
1.3–2.1 μmの波長帯域におけるフェムト秒パルスレーザは、生体試料の深部観測や半導体の特殊微細加工、広帯域なコヒーレント中赤外光発生などの応用が期待されていますが、開発途上のレーザです。本研究室では、このような波長帯のフェムト秒パルスレーザの開発をファイバーラボ株式会社などの企業と協力して進めています。
これまで、1.3 μmや1.8 μm、2 μmのファイバーレーザを開発しました。2 μm帯のレーザとしては、 61 fsのパルスを直接発生するレーザ発振器[Opt. Express 32 38960 (2024)]や10 nJ程度の高エネルギーパルスを直接発生するレーザ発振器[ Opt. Express 34 7030 (2026) ]、265 fs、1 mJ程度の光パルスを発生する高出力レーザ増幅器を開発し、 広帯域コヒーレント中赤外光発生も実現しました[Opt. Express 30 7332 (2022)]。
また、1.3 μmや1.8 μmのファイバーレーザーを開発し、 生理学研究所と協力して、生きたマウスの脳内の神経細胞を観測することに成功しました[Biomed. Opt. Express 14 326 (2023), Opt. Express 31 16127 (2023), Opt. Continuum 3 1540 (2024), Opt. Express 33 10555 (2025), Jpn. J. Appl. Phys. 65 052003 (2026)]。これらのレーザーの製品化を進めることで、脳科学の進展に貢献できると考えています。
光が波の性質を持つことは、高等学校の物理で学ぶような基本的なことです。 ところが、その光の波を直接計測することは、現在の最先端の技術を用いても困難なことなのです。 光の波の周期が、数フェムト秒(10−15秒)と超高速であるためです。
本研究室の主宰者は、そのような光の波を計測する新しい手法を開発しています[Nat. Commun. 4 2820 (2013), Optica 10 302 (2023), Opt. Lett. 50 7604 (2025) など]。 高強度場物理の研究や超高速な光スイッチ、新規放射施設の開発において、有用な手法と考えられています。 現在では、本手法が様々な波長領域で利用できるように、技術開発を進めています。
2026年7月より、本研究室所属だった工藤准教授が独立し、ナノ光科学研究室がスタートしました。中赤外レーザを使った光マニピュレーションを中心とした研究を進めています。レーザ科学研究室は、特にその光源開発の部分で協力して、共同研究を継続しています。
これまでの研究では、1.95 μmや2.8 μmのレーザー(Tm doped fiber laser、Er doped fluoride fiber)を用いて水の分子振動を励起し直接加熱することで、 光熱トラップできることを示しました[Opt. Express 29 38314 (2021), Opt. Express 32 12160 (2024)]。金属薄膜等の前処理を必要とせず中赤外レーザーを照射するだけで光熱トラップが可能となります。現在では更に効率を向上させるために、新たな光源開発から研究を進めています。