2017 Fiscal Year Research-status Report
表面プラズモン共鳴を利用した高速広域ラマン分光応力イメージング装置の開発
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17K06066
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| Research Institution | Meijo University |
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Principal Investigator |
來海 博央 名城大学, 理工学部, 教授 (30324453)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ラマン分光法 / 面分光 / イメージング / 広域 / 応力測定 / 表面プラズモン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度は，高速広域ラマン分光応力イメージング装置の要素開発を行った．
第一に，広範囲のレーザー照射光学系の開発を実施した．広域測定で必要となる目標直径10～100μm程度のレーザー照射領域を確保する光学配置を検討した．現在の光学系では，中心波長488nmの固体レーザーを入射レーザーとして，偏光板，ビームエキスパンダー，λ/2 板，対物レンズで構成し，途中に回折光学素子（DOE）を用いて約40μmまで拡大した．
第二に，面分光技術（次元変換検出光学系）の開発を行った．10×10 の100 領域に分割する次元変換光バンドルファイバーの開発を目標とし，２次元配列の入射側が２（１×２），４（２×２），３６（６×６）領域，２分岐した出射側を有する３種類の次元変換光バンドルファイバーの開発を行い，性能評価を行った．性能評価は，３種類のバンドルファイバーとイメージング分光器２台，２次元検出CCD検出器２台で，Siのラマンスペクトルについて光ファイバーからの光の出射像，強度，ラマンシフトの観点から評価し，改善をして同時測定に成功した．これにより，照射面からのラマン散乱光を，マイクロレンズアレイを用いて10×10 の100 領域に分割し，同時検出する次元変換検出光学系（光学配置）の基礎が開発できた．現在，２次元配列の入射側100領域（10×10）で２分岐した出射側（50×2）のバンドルファイバーを製作中である．
第三に，応力成分のイメージングに必要となるひずみに対するラマンシフト変化量を第一原理計算で求めた．特に縮退したラマンスペクトルを有するシリコン（Si）とグラフェンを対象とし，ひずみ負荷に伴い縮退が解けるラマンスペクトルピークを個別に評価し，ラマンシフト変化量を明らかにした．さらに，Siの実験で得られるラマンピーク変化量と比較し高精度で計算できることを明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度では，①広範囲レーザー照射光学系の開発，②面分光技術（次元変換検出光学系）の開発，③第一原理計算によるラマンシフト変化量によるひずみ評価パラメーターの算出を行った．①では，広域照射による検出空間分解能の低下という問題点があることが分かったが，現在新たな照射方式を検討している．②では10×10 の100 領域に分割するバンドルファイバーが製作途中であるものの，バンドルファイバーが完成すれば，100点の同時検出が可能となる．以上より，平成29年度目標としてきた内容の８割以上を達成できているため，順調であると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，まず高速広域ラマン分光応力イメージング装置の構築を実施する．前年度までに構築してきたレーザー照射光学系と製作途中の100点バンドルファイバーを組み込んだ面分光技術（次元変換検出光学系）を組み合わせる．空間分解能の向上を図る入射光学系についても検討し，必要に応じて改良する．現在すでに構想はできている．第二に，大量のスペクトルデータの自動解析技術の確立を目指す．本装置では，100個スペクトルデータが１回の測定で得られ，数回の偏光測定を行うと，偏光測定分だけの倍数でスペクトルデータが得られるため，データの解析時間が非常に長くなる．そこでスペクトル解析を可能な限り自動化し，応力値のスループットの高速化を図る．また装置の検証は，応力測定の経験があり，熱影響の少ない多結晶アルミナとシリコン単結晶で実施する．
第三に，表面プラズモン共鳴を利用した高速広域ラマン分光応力イメージング装置へ向けた，表面プラズモン共鳴レンズの創製を実施する．表面プラズモン共鳴レンズは，移流集積法による金ナノ粒子の自己組織化を用いて，曲率の大きい平凸レンズあるいはガラス板上に一層のナノ粒子配列層を形成させ，対物レンズに組み付けて使用する．予備試験では，グラフェン上の一部に一層のナノ粒子の自己組織化ができたが，多くの領域で数層重なった状態となった．今回の金ナノ粒子の自己組織化は，ナノ粒子溶液に浸したレンズを，角度をつけて一定速度で引き上げることで形成する．
最後に，樹脂の応力測定の精度を向上させるため，第一原理計算による樹脂のラマンスペクトル解析を行う．特に，樹脂のラマンスペクトルに対し，ラマンシフトがどの結合状態に由来するピークであるかを明らかにするとともに，ひずみに対するラマンシフト変化量への感度の計算の可能性についても検討する．
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| Causes of Carryover |
平成29年度で開発した広範囲レーザー照射光学系の最適化を行う上で必要となる光学素子の最終購入を行っていない点と，10×10 の100 領域に分割するバンドルファイバーが製作途中であること，さらに多点分岐光に迷光を入れない為の検出光学系の最適化を行っていないためである．特にレーザー照射光学系は，検出の空間分解能を左右する重要な要素であり，現在その光学系を検討している．従って，必要となる光学素子の購入に至っていない．そして，現在製作途中である100領域に分割するバンドルファイバーの製作において，必要な部品を追加購入する可能性がある．そして最後に，迷光を入れないための最適化された光学系を製作する上で必要な部品を現在検討しているため，次年度での使用額が生じた．
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