可飽和吸収体として有機材料を使用した 1570 nm の超高速ファイバーレーザー

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13288 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、エルビウムドープファイバーレーザー (EDFL) の異なる長さでモード同期動作を生成するための可飽和吸収体 (SA) としてのポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン): ポリ(スチレンスルホネート) (PEDOT: PSS) を実証しました。 PEDOT: PSS はポリビニルアルコールに埋め込まれ、レーザーセットアップ内で吸収体として機能する薄膜を形成しました。 3 つの異なるモードロック EDFL が、異なるキャビティ長と出力カプラ比で正常に実証されました。 3.417 MHz/710 fs、4.831 MHz/510 fs、および6.049 MHz/460 fsのパルス繰返し速度/幅は、20:80/60.7 m、10:90/42.7 m、およびそれぞれ5:95/33.7メートル。すべての実験では、中心波長 1570.76 nm、1570.3 nm、および 1569.95 nm、3 dB 帯域幅それぞれ 4.8 nm、5.6 nm、および 6.5 nm で安定したモードロック動作が生成されました。超高速ファイバーレーザーの長時間安定性は、各セットアップについて 120 分間調査されました。提案された PEDOT: PSS は、さまざまなファイバーレーザー設定でモード同期動作を誘発する有望な材料であることが証明されています。

非線形光学やオールファイバーシーイングなどのさまざまなフォトニクスシステムは、エルビウムドープファイバーレーザー (EDFL) の独特の特性によって革命をもたらしました。 EDFL に対する研究関心が大幅に高まっているのは、完璧なビーム品質、低い挿入損失、高出力、狭い線幅を備えた調整可能な出力を生成する能力に起因しています 1,2。これらのファイバーレーザーは、パルスモードまたは連続波 (CW) のいずれかで動作できます。パルス EDFL は、Q スイッチング 3 またはモードロック 4 動作で動作する、高いピーク出力を持つ超高速レーザーを指します。モードロック EDFL は、アクティブまたはパッシブ技術を通じてフェムト秒パルスを生成する独特の能力により、大容量光通信アプリケーションで広く使用されています5。アクティブ技術では、外部変調器と、光電変調器や音響光学系などの電子部品 6 が必要であったため、システムの柔軟性が低く高価になりました。一方、パッシブ技術は、より気密で多様なソリューションを提供します。可飽和吸収体 (SA) は、実際の SA と人工 SA に分類できるパッシブ技術で超高速レーザーを生成するための鍵です。人工 SA は、非線形偏光展開 (NPE)7、非線形増幅ループミラー (NALM)8、非線形光ループミラー (NOLM)9 などの光学コンポーネントの形成です。人工 SA には、複数の光学コンポーネントの形成と環境摂動に対する感度が必要であり、その実現可能性が制約されていました。半導体可飽和吸収体ミラー (SESAM)10 は実際の SA として使用されています。残念なことに、SESAM には、高コスト、狭い動作帯域幅、低い損傷しきい値、複雑なセットアップなど、多くの欠点があります11。したがって、ファイバーレーザーシステムで超高速現象を引き起こすために、新興材料SAが主な研究の焦点になりつつあります。グラフェン 12、カーボンナノチューブ (CNT) 13、黒リン (BP) 14、遷移金属ジカルコゲニド (TMD) 15、16、 17、およびトポロジカル絶縁体 (TI)18、19、20。これらの材料は、吸収 21、サイズ 22、化学的安定性 23、および回復時間 24 における優れた性能により、SA としての大きな可能性を証明しています。最近、有機材料（OM）は、優れた柔軟性、熱安定性、成膜能力を示す新しい材料として注目されています。これらのプロパティにより、最前線のテクノロジーで OM を使用できるようになります。当然のことながら、OM アプリケーションは超高速レーザーアプリケーションにも拡張されています。たとえば、OM のメンバーであるポリ (3,4-エチレンジオキシチオフェン) ポリスチレンスルホン酸塩 (PEDOT: PSS) のポリマーは、ファイバーレーザーシステムでピコ秒パルスを誘導することが報告されています 25。しかし、超高速レーザーを誘導する OM の可能性に関する研究は、他の新興材料と比較するとまだ少数です。

この実験では、EDFL Lバンド領域でモード同期動作を生成するための受動変調器としてPEDOT: PSSベースのSAを実証しました。 PEDOT:PSS SA は、PEDOT:PSS 粉末をポリビニルアルコール (PVA) ホストポリマー内に埋め込むことによって製造されました。 PEDOT: PSS は、物理的柔軟性、成膜特性、熱安定性により、多用途用途、特にフォトニクス用途で大きな可能性を示しています 26,27。提案された SA フィルムは、変調深さ 50%、飽和強度 32 MW/cm2 という優れた結果を達成しました。光カプラ (OC) / キャビティ長 20 を利用することで、パルス幅 / 最大出力 710 fs/20.07 mW、510 fs/15.82 mW、および 460 fs/11.89 mW のさまざまな EDFL セットアップで安定したモードロックが得られました。それぞれ：80/60.7m、10:90/42.7m、5:95/33.7m。

PEDOT は、空気中での安定性、耐湿性、高い導電性により、最も研究され広く利用されている OM の 1 つです。また、3,4-エチレンジオキシチオフェン (EDOT) から電気化学的または化学的に重合させることもできます。ただし、PEDOT には、どの溶媒にも溶けず、大規模製造が難しい小分子の対イオンがドープされています 28。水性高分子電解質ポリ (スチレンスルホン酸塩) (PSS) を使用して重合を実行すると、良好なフィルムフォーマットで水分散性になります。特性が安定しており、製造が容易です。 PSS は、水性媒体中でカチオン性 PEDOT セグメントの分散を維持する電荷平衡化および重合の対イオンによる型として機能します。親水性 PSS と疎水性 PEDOT の性質により、コアシェル構造が形成されます 29,30。 PSS と PEDOT の分子量は、それぞれ約 400,000 g/mol と 1000 ～ 2500 g/mol です。 PVA は、生分解性、非毒性、完全水溶性など、ユニークで優れた特性を備えた高分子材料です31。吸収体フィルムの製造手順は、1 mg の PEDOT: PSS を 10 ml の脱イオン (DI) 水に 60 °C で 60 分間溶解することによって行われました。 PEDOT:PSS 溶液の製造プロセス中に、アセトンを添加して PEDOT:PSS ナノ粉末を溶解しました。次に、超音波撹拌機で約 120 分間撹拌しながら、1 g の PVA を 100 ml の脱イオン水に混合することにより、PVA を調製しました。次いで、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳＰＶＡ混合物の溶液を、４５℃で約１８０分間撹拌することによって、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ溶液への製造プロセス後の５ｍｌのＰＶＡ溶液上に調製した。最後に、溶液混合物を直径６０ｍｍのプラスチック型にデカントし、３日間乾燥させて薄膜を形成した。膜厚を測定したところ、約５０μｍであった。この研究では、PEDOT:PSS を異なる撹拌時間と異なる重量比で調製しました。パルスレーザーの最高の性能は、制御された実験室環境で上記のプロセスによって得られました。図 1 は、提案された SA フィルムについて撮影された 2 つの異なる SEM 画像サンプルを示しています。最初のサンプルは、PEDOT:PSS 粒子が 100 μm の範囲内で PVA とともに均一に分布していることを示しました。 PEDOT: PSS 凝集粉末に属する小さな粒子が発見されました。挿入図は、SA フィルムを 10 μm 範囲で高倍率で撮影した SEM 画像で、室温でのアニーリング手順によって生じた表面上の多数のしわが示されています。 SA フィルムの厚さは約 50 μm であると測定されます。挿入損失は約 0.5 dB で、偏波依存損失 (PDL) は無視できます。 3 つの異なる実験で同じ SA を使用しました。

吸収体フィルムのSEM画像。

図 2a は、SA フィルムの光吸収スペクトルを示しています。 3 つの幅広で非対称なピークがそれぞれ 216 nm、302 nm、384 nm に集中します。これらのピークは、不飽和結合による PSS、PVA、および PEDOT 分子の \(\pi \to {\pi }^{*}\) 遷移に対応します 32,33。 SA フィルムの光学バンドギャップ (Eg) は、式 (αhv)2 = B(hv-Eg) に基づいて計算できます。n は直接遷移の 2 に等しく、α は吸収係数、B は相対的に一定であり、 hv は光子エネルギーであり、d が SA 膜の厚さであるため、次の式 α(v) = 2.303 × Abs (λ)/d によって測定できます。 (αhv)2 対 hv の軸での線形外挿により光学バンドギャップを取得できます。図 2b は、3.2 および 4.1 eV で得られ、修飾 PVA および PEDOT: PSS34、35 に属する 2 つのバンドギャップ値を示しています。

SA フィルムの特性 (a) 光吸収スペクトル (b) 光学バンドギャップ曲線、および (c) 非線形吸収曲線。

PEDOT:PSS PVA の非線形吸収は、標準的な 2 アーム透過測定法を利用して調査されました。安定したモードロックレーザーが、1570 nmで動作するパルス光源として利用されました。レーザーのパルス繰り返し率とパルス持続時間はそれぞれ 6.049 MHz と 460 fs でした。パルス源は EDFA によって増幅され、減衰器に接続されてレーザー出力パワーが変更されました。次に、3 dB カプラを使用して出力電力を分割しました。 1 つのポートは参照用に使用され、もう 1 つのポートは SA フィルムの出力依存透過率測定に使用されました。 SA フィルムの変調深さは、図 2c に示すように、他の最近の研究 36、37、38 よりも高い 0.14 MW/cm2 の飽和強度で約 50% 達成されました。

このセクションでは、モードロック EDFL が 3 つの異なるキャビティ長と出力カプラ比で実証されました。図 3 は、長さ 0.5 m の WDM ファイバ、長さ 2.0 m の EDF、光アイソレータ、出力カプラ、偏波コントローラ (PC)、および追加のシングルモードファイバを含むモードロックレーザの提案された構造を示しています。 (SMF) セクション。 EDF のコア直径、開口数、980 nm でのエルビウムイオン吸収は 4 μm、0.16、23 dB/m です。 2 m エルビウムファイバーにより、反転分布プロセス中に電子がエネルギーバンドのより低い占有領域に存在し、より長い波長でのレーザー発振を誘導できるようになります。 980 nm レーザーダイオードを利用して、WDM を通じて EDF を励起しました。生成された光子はキャビティ内で振動してレーザーを形成し、出力カプラーを介して取り出されます。アイソレータを利用して、一方向のレーザー光がリングキャビティ内に確実に伝播されるようにしました。偏光コントローラ (PC) を使用して発振レーザーの偏光状態を調整し、モード同期プロセスを最適化しました。 EDF、SMF、および WDM ファイバーの群速度分散 (GVD) は 27.6 \({\text{ps}}^{2}\text{/km}\)、− 21.7 \({\text{ps}} ^{2}\text{/km}\)、および - 48.5 \({\text{ps}}^{2}\text{/km}\) それぞれ。 3 つの実験のために、長さ 50、32、および 20 m の追加の SMF がリングレーザーキャビティに統合されました。オシロスコープ (OSC) (INSTEK GDS-3352) と無線周波数 (RF) スペクトラムアナライザ (アンリツ MS2683A) を利用して、それぞれ InGaAs 高速光検出器を介して時間領域と周波数領域でパルス列を監視しました。モードロックレーザーを波長領域で調べるための分解能0.02 nmの光スペクトラムアナライザ（OSA）（YOKOGAWA AQ6370C）。一方、光パワーメーターは、パルスファイバーレーザー動作の出力パワーを測定するために使用されました。自己相関器 (APE PulseCheck) を利用して、モードロックパルスのパルス幅を測定しました。

モードロック EDFL 動作のレーザー構成。

最初に、50 m の長さの SMF がリングキャビティに追加され、出力の 20% が分析のために抽出できるように 20:80 出力カプラーが利用されました。 80% はキャビティにループバックされ、モード同期パルス生成のために発振し、SA と相互作用します。この実験では、共振器の全長は約 60.7 m で、正味の共振器分散は - 1.43 \({\text{ps}}^{2}\) と推定されました。ポンプパワー 10 mW における CW レーザーのしきい値。 LD パワーが 134 mW まで徐々に増加すると、自己起動型モードロックが正常に生成されました。材料バンドギャップ以下で動作しているにもかかわらず、PEDOT:PSS:SA は、エッジ関連のサブバンドギャップの場合によりモードロックを開始しました 39。モードロック EDFL は、繰り返し率 3.417 MHz で最大ポンプ出力 300 mW まで維持されました。

最大入力LD電力300mWにおけるモードロックEDFLの典型的な時間領域特性を図4aに示します。パルス列は非常に規則的で、パルス繰り返し率は 3.417 MHz、パルス周期は 292.6 ns で、これはエルビウムレーザーの共振器長に相当します。モード同期は、134 ～ 300 mW のポンプ出力範囲で安定して動作しました。図 4b は、パルスエネルギーと平均出力パワー対入力 LD パワーを示しています。ポンプパワーが 300 mW の場合、最大パルスエネルギーと平均出力パワーはそれぞれ 5.87 nJ と 20.07 mW に達します。

モードロック EDFL 動作の特性 (a) 時間領域のパルス列、(b) ポンプパワーに応じて変化するパルスエネルギーと出力パワー、(c) 光スペクトル、および (d) 自己相関器トレース。

ポンプパワー300mWにおけるモードロックEDFLの光スペクトルを図4cに示します。モード同期パルスは、3dB 帯域幅 4.8 nm の中心波長 1570.76 nm で動作しました。ケリーの側波帯はソリトンスペクトルで観察されました。これは、モードロック EDFL が自己位相変調 (SPM) と GVD 相互作用を通じてソリトンパルス整形を促進する異常分散領域で動作していたため、予測可能でした。側波帯のわずかなディップは、ファイバーレーザー内の周期的なエネルギー交換によって引き起こされるソリトンと分散波の間の四光波混合 (FWM) の効果に起因すると考えられます40。共振器の合計分散値が約 - 1.43 \({\text{ps}}^{2}\) であると測定されたため、これは光スペクトルの両側に見えるケリーの側波帯に対応していました。ソリトンモード同期レーザーの自己相関トレースを図4dに示します。パルスパターンは、持続時間が 710 fs の \({\text{sech}}^{2}\) パルスプロファイルに従い、時間帯域幅積 (TBP) は ~ 0.414 と測定されました。これは、パルスがわずかに変化していることを示しています。鳴いた。このチャープは部分的には 3 次分散によるものである可能性があります。別の要因としては、不均一なエルビウム利得媒体によるスペクトルフィルタリングが考えられます41。また、室温の変化がモードロック EDFL の性能に影響を与えないことも観察されています。

図 5a は、300 mW の入力電力および 138 MHz の周波数スパンでのモードロック EDFL 動作の RF スペクトルを示しています。基本周波数は、レーザーキャビティ長に相当する 3.417 MHz であると記録されており、c は光の速度、n は光の速度であるため、方程式 \(\text{f=c/nL}\) に基づいて推定されます。は光ファイバの屈折率、Lは共振器長です。 L は 60.7 m、c は 3 × 108、n は 1500 nm で 1.44 であるため、基本周波数は 3.432 MHz と推定されます。周波数の理論的な計算は、約 3.417 MHz を達成した実験作業の周波数に対応します。 3.417 MHz での 69 dB の SNR は、キャビティ内で動作するモードロックの安定性を証明しました 42。モードロックEDFL動作の長期評価を図5bに示します。安定したソリトンモード同期 EDFL は、パルス列と RF スペクトル性能に目立った減衰が見られることなく、実験室で最大 2 時間生成されました。出力スペクトルは、中心波長、3 dB 帯域幅、およびピーク波長がそれぞれ 1570.76 nm、4.8 nm、および -32.34 dBm で安定して動作したため、合計 2 時間にわたって 5 分ごとに取得されました。

60.7 m のキャビティ長によるモードロック EDFL の性能 (a) RF スペクトルおよび (b) 長期安定性。

2 番目の実験では、長さ 32 m の SMF を EDFL キャビティに追加して、キャビティ長さ 42.7 m を形成し、キャビティの正味分散は – 1.02 \({\text{ps}}^{2}\) でした。最適な結果を得るために、80:20 カプラーの代わりに 90:10 出力カプラーが使用されました。モードロックパルスは、129 mW というより小さいしきい値入力 LD パワーとして実現されました。モード同期動作はポンプ出力 295 mW まで維持されました。図 6a は、最大励起電力 295 mW でパルス繰り返し率 4.831 MHz のモードロック EDFL パルス列を示しています。パルス周期は約 207 ns で測定され、これはキャビティ長とよく一致しています。共振器長の合計が約 41.7 m であるため、基本周波数は共振器長に従って推定され、前の式に基づいて約 4.879 MHz でした。図6bは、モードロックEDFL動作のパルスエネルギーと出力電力を入力LD電力に対してプロットしたものです。ポンプパワーが 129 mW から 295 mW に増加すると、パルスエネルギーは 1.94 nJ から 3.27 nJ に増加し、出力パワーは 9.41 mW から 15.82 mW にそれぞれ増加しました。

共振器長 35 m のソリトンパルスの時間特性とスペクトル特性 (a) 典型的なパルス列、(b) ポンプパワーに応じて変化するパルスエネルギーと出力パワー、(c) 出力スペクトル、(d) 自己相関器のトレース。

モードロックEDFL動作の出力スペクトルを図6cに示します。モードロックは、5.6 nm の 3 dB 帯域幅で 1570.3 nm の中心波長で動作しました。より短い共振器長と 90:10 カプラーの使用により、レーザーは以前の共振器の波長と比較してより短い波長で動作し、その結果、総共振器損失が減少しました。図6dは、510fsのパルス幅が得られたときの、モードロックEDFL動作のパルス幅測定の自己相関トレースを示しています。予測どおり、3 dB のより大きな帯域幅が記録されたため、パルス幅は前の実験よりも短くなります。 TBP は ~ 0.35 と計算され、以前の設定と比較して \({\text{sech}}^{2}\) パルスの変換制限 TBP である 0.315 に近づきました。

図 7a は、モードロック動作の RF スペクトルを示しています。基本周波数は 4.831 MHz です。 SNR は 71 dB です。図7bに示すように、120分間の観察を行うことにより、レーザー動作の安定性をさらに調査しました。レーザー動作は、パルス列や RF スペクトル性能の顕著な低下もなく、安定して動作しました。

キャビティ長 42.7 m のモードロック EDFL 性能 (a) RF スペクトルおよび (b) 長期安定性。

3 番目の実験では、レーザーのモード同期性能を向上させるために、共振器長がさらに 33.7 m まで短縮されました。長さ 20 m の追加の SMF がレーザーリングキャビティに統合され、-0.84 \({\text{ps}}^{2}\) のキャビティ分散が達成されました。提案されたキャビティでは95:5出力カプラが使用され、レーザキャビティ内の損失をさらに低減してより短いパルス幅が得られました。自己始動ソリトンパルスは、124mWの閾値ポンプパワーで首尾よく生成された。レーザーは、124 ～ 290 mW のポンプ出力の間、6.049 MHz の一定のパルス繰り返し率で動作しました。図 8a は、ポンプパワー 290 mW での典型的なパルス列を示しており、重大な不安定性や歪みがない同一のモードロックパルス列を示しています。パルス周期は約 165.3 ns で、これはキャビティの長さと繰り返し率に相当します。図8bに記録されているように、パルスエネルギーと平均出力パワーはポンプパワーの増加に伴って直線的に増加しました。最大ポンプパワー 290 mW では、パルスエネルギーと平均出力パワーはそれぞれ 1.96 nJ と 11.89 mW と測定されます。

共振器長 33.7 m のソリトンパルスのスペクトルおよび時間特性 (a) 典型的なパルス列、(b) ポンプパワーに応じて変化するパルスエネルギーおよび出力パワー (c) レーザー波長 (d) 自己相関器トレース。

図 8c は、290 mW のポンプパワーでの出力光スペクトルを示しています。レーザーは、中心波長 1569.95 nm、帯域幅 6.5 nm のソリトンスペクトルとして動作しました。モードロック EDFL は異常なキャビティ分散で動作し、ケリー側波帯によって証明されました 43。レーザー波長は、中心波長までの距離が 1 次、2 次、3 次でそれぞれ 2.9、6.9、および 10.9 nm である対称的なケリー側波帯を示しました。この距離は、パルス持続時間、動作波長、および総正味分散に関係します44。図 8d は、パルス幅 460 fs の sech2 フィッティングによる自己相関トレースを示しています。 TBP は 0.363 で、変換制限値の 0.315 に近づいており、パルスがわずかにチャープされていることを示しています。

RF 出力スペクトルは、図 9a に示すように記録されました。レーザーの基本周波数 (6.049 MHz) の信号対雑音比 (SNR) は約 75 dB と非常に優れており、レーザーの安定性がさらに実証されました。レーザー動作の長期評価を図 9b に示します。モードロック EDFL は、パルス列や RF スペクトル性能に目立った減衰もなく、実験室で最大 2 時間安定して動作しました。出力スペクトルは、スペクトルの中心波長、3 dB 帯域幅、およびピーク強度をそれぞれ 1569.95 nm、6.5 nm、および -23.69 dBm に維持して、合計 2 時間にわたって 5 分ごとに取得されました。

キャビティ長 33.7 m のモードロック EDFL 性能 (a) RF スペクトルおよび (b) 長時間評価。

すべての実験で、高出力モードロックレーザーの開発に適した優れた性能を備えた安定したパルス列が生成されました。表 1 は、キャビティ長と出力カプラ比に基づいた 3 つのモードロック EDFL 動作を示しています。 3つの異なるモードロックにより、優れた性能を備えた高安定出力レーザーを実現しました。実験から、PEDOT: PSS は、さまざまな分散キャビティで優れた長期安定性と再利用性を備えた超高速レーザーを誘導する優れた SA 機能であることが証明されました。

可飽和吸収体の開発に伴い、TMD45、46、47、48、49、50、TIs51、52、53、MXene54、およびその他の新興材料55、56、 57、58。これらの材料は、ピコ秒からフェムト秒までの超高速現象を引き起こす能力を証明しています。この研究と比較して、1.96 nJのパルスエネルギーで460 fsのパルス幅を達成しました。これは報告された研究の中で最良の結果ではありませんが、報告された文献のほとんどと同等です。さらに重要なことに、PEDOT: PSS は OM のファミリーメンバーとして、熱安定性や膜形成能力などの優れた物理的特性を受け継いでいます。この研究で報告された結果は、可飽和吸収体としての PEDOT: PSS の大きな可能性を証明しました。したがって、業界のさまざまなニーズに応えるための可飽和吸収材料としての代替となる可能性があります。

PEDOT: PSS ベースの SA を L バンドで動作するリングキャビティに導入することにより、超高速レーザーの実証に成功しました。最初の SA は、PEDOT:PSS を PVA フィルムに埋め込むことによって得られました。変調深度は 50%、飽和強度は 0.15 \({\text{M}}{\text{W/cm}}^{2}\) です。 3 つの異なる共振器長に基づいて、3 つの異なるソリトンモードロックパルスが実証されました。レーザーは、光カプラ (OC)/キャビティ長 20:80/60.7、10:90 を利用することにより、3.417 MHz/710 fs、4.831 MHz/510 fs、および 6.049 MHz/460 fs のパルス繰り返し速度/幅で動作しました。それぞれ/42.7、5:95/33.7m。これらのレーザーは、約 1570 nm の中心波長で動作する安定したソリトンパルスを生成しました。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文 [およびその補足情報ファイル] に含まれています。

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アーメド・シャキル・アルヒティ＆SWハルン

INTI 国際大学工学・数量測量学部、71800、ニライ、ヌグリ・スンビラン、マレーシア

ジアン・チーク・ティウ

アイルランガ大学科学技術学部物理学科、スラバヤ、60115、インドネシア

M. ヤシン & SW ハルン

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アル・ヒティ、AS、ティウ、ZC、ヤシン、M. 他可飽和吸収体として有機材料をベースにした 1570 nm の超高速ファイバーレーザー。 Sci Rep 12、13288 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-17724-9

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受信日: 2022 年 5 月 17 日

受理日: 2022 年 7 月 29 日

公開日: 2022 年 8 月 2 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17724-9

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