2019 Fiscal Year Annual Research Report
ガラス固体中における金属球の導入およびマニュピレーション
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18J22593
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
西岡 宣泰 千葉大学, 融合理工学府, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 金属球 / ガラス / CW-LBI / 連続発振レーザ / 導入 / マニュピレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
非接触で微小物体の位置制御を行う新しい光マニュピレーション技術として、レーザ照射によりガラス内部へ微小な金属球を導入し、軌跡に金属球の成分をドープする連続波背面照射法が提案されている。高出力のレーザを照射すると、金属球は軌跡に金属を拡散しながら高速移動する。また、工業応用には金属球の安定的な導入や光学的高機能ガラスの試作が必要となる。
本研究では、工業応用に向けた金属球の移動制御およびガラスの高機能化を最終目標とし、高速撮像、軌跡の成分評価、発光スペクトル解析や駆動モデルの熱流体解析により高速移動および導入メカニズムの解明を行う。また、ガラス内部で特殊な発光、蛍光を示す金やネオジム元素を軌跡に拡散させ、光学的高機能ガラスの試作を行う。最終的に金属球の挙動原理の体系化を行い、金属球による多機能3次元光導波路などの光学素子への応用の可能性を明らかにする。
本年度は、金属を含有する高速移動の軌跡の長さを制御する方法を確立した[1]。数値解析の基礎技術を学ぶことで、駆動モデルの熱流体解析に着手へと進めている。また、金属球がガラス内部へ導入されるメカニズムが分かっていない。そこで、プログラミングによる3次元ステージの制御により、で開発した方法を実験者の技術に依存しない導入技術手法[2]を開発した。今度の今回改良した導入方法は、従来よりも入熱モデルが単純であるため、導入の駆動モデルを作成が可能になり、今後導入のメカニズムの解明が進むことが予想される。さらに、光学的高機能ガラスの試作として、ネオジムがガラス内部に安定して導入する条件が厳しいことが分かった。この課題を解決するために、再現性が取れる導入条件を模索・提案している段階である。また、[1]は、国内学会で口頭発表を2件,ポスター発表を1件行った。また、英語論文は、1報が2019年6月に公表され、もう1報は2020年2月に受理された。
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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
本年度は、計画していた(1)高速移動のメカニズムの解明、(2)導入メカニズムの解明、(3)光学的高機能ガラスの試作の3項目について研究を遂行し、概ね順調に進展した。
(1)に関しては、金属球の挙動と温度の関係の調査、高速移動の軌跡長の制御方法の確立、高速移動の軌跡長と金属球への入熱量の関係の調査、金属球への入熱量と軌跡に拡散した金属元素の検出量の関係の調査を遂行した。Optical Manipulation Conference（2019年4月）で1件の口頭発表、2019年度精密工学会秋季大会学術講演会（2019年9月）で口頭発表およびポスター発表を1件ずつ行った。Optical Expressへ英語論文の投稿(2019年6月に公開)およびOptical Materials Expressへ英語論文の投稿(2020年2月に受理)を行った。
(2)に関しては、安定的な金属球の導入方法の改良、3軸ステージを利用した金属球の自動導入方法の確立、導入される金属球の直径の制御の3つのテーマを遂行した。まず、申請者が昨年度に提案した導入方法を改良して、より安定的な金属導入方法を開発した。次に、プログラミングによる3次元ステージの制御により、で開発した方法を実験者の技術に依存しない導入技術へと改良した。最後に、本手法におけるレーザのスポット径と導入される金属球の直径の関係を示した。従来よりも入熱モデルが単純であるため、導入の駆動モデルを作成が可能になり、今後導入のメカニズムの解明が進むことが予想される。
(3)に関しては、ネオジムのガラス内部の導入において、金属の中でもネオジムがガラス内部に安定して導入する条件が厳しいことが分かった。この課題を解決するために、再現性が取れる導入条件を模索・提案している段階である。オネジムの安定した導入条件が確立することで、光学デバイスの試作が可能となる。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き、金属球が高速移動する現象のより正確なモデリングを目的に、金属元素、ガラスの種類が高速移動に及ぼす影響を調査する。まず、複数元素から成る金属球が高速移動する場合に対して、拡散位置の元素依存性を調べる。その後、ガラスの種類を変更して、高速移動に必要な条件の変化を調査する。そして、金属球が高速移動する際の、挙動、軌跡の特性、元素依存性をモデリングして、熱流体解析を行うことで、高速移動メカニズムの解明を実現する。
さらに、前年度および今年度取得した導入に必要な入熱条件を基に、駆動モデルを構築する。また、高速移動と導入で類似する点に対しては、高速移動で得た技術を活かし、導入の熱流体解析を行うことで、導入メカニズムの解明を実現する。
また、解析結果をもとに得られた金属球の導入メカニズムについて、レーザ(波長、パルス幅)や材料(ガラス、金属)を変更した条件下で実験を行い、そのメカニズムの妥当性を検証する。レーザや材料により、導入に必要であるレーザの照射条件が異なる場合、導入の駆動モデルに対して、適宜補正を行う。
最後に、本現象による応用技術として、金属球の軌跡に金もしくは希土類元素(ネオジム等)を拡散させることにより、軌跡への着色、誘導放出を有する光デバイスの試作を実現する。ガラス内部に拡散した金が、粒子径に依存して発色が異なる特性を活かして、高速移動時のレーザ条件の変更(前処理)、もしくは高速移動後のガラス試料への熱処理(後処理)によって、軌跡の発色を制御する。また、拡散させる希土類金属の種類の拡大および拡散量の制御を行い、誘導放出を誘起して、特定の波長を増幅する効果を付与する。この際、発色、増幅量の評価は、入射した光に対して発光する光の波長および増幅率を分光器で計測、評価する。
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