2020 Fiscal Year Annual Research Report
Study on Nano-Surface Integrity Measurement of Machined Glass Component using Entangled Photon Probe
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19H02042
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
高谷 裕浩 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70243178)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
水谷 康弘 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40374152)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノ・サーフェスインテグリティ / ガラス加工表面 / 量子もつれ光子プローブ / 予測型マイクロクラック計測 / 加工計測 / フォトンメトロロジー / ドレスト光子フォノン / 仮想量子ドット |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，ナノ領域の局所的な短距離秩序に支配される微視的構造／応力場の物質情報をもつドレスト光子フォノンと空間情報をもつ量子もつれ光子との相互作用を機序とし，量子もつれ光子対の２光子量子干渉に基づく，新たな量子もつれ光子プローブの基本原理を確立することを目的としている．
本年度は，前年度までに量子もつれ光子プローブシステムの構成に与える影響の大きい課題となっていた，量子もつれ光源の量子効率改善と検証に注力した．また，単結晶石英基板を基準試料としてフォノンバンドをラマン周波数シフトから定量的に推定するためのラマン分光計測，レーザ後方散乱パターンによるマイクロクラック深さおよび進展方向の測定を遂行し，次のような研究成果[1]～[3]を得た．
[1] 光源光学系の改良によって，量子もつれ光源の安定化を達成した．低照度領域でのノイズを緩和することで信頼性向上と高精度化を図るため，偏光の相関関係を使用する手法を導入し，同時計数計測実験によって量子もつれ光子対の偏光状態のもつれを確認した．
[2] 単結晶石英ガラス基板を用いたインデンテーション試験を行い，試験荷重と圧痕周辺の変形状態の関係を定量的に明らかにした．さらに，その実験データを利用して，共焦点検出によって表面層の位置を計測しながらフォトンレベルの微弱なラマン散乱光を検出可能なラマン分光光学系を試作し，マイクロクラック近傍の応力場とラマンスペクトルの関係を実験的に調査可能な測定システムを構築した．
[3] 3次元FDTD数値解析によって，レーザ後方散乱パターンのフーリエ解析による空間周波数分布とクラック深さおよびクラック進展方向の関係を明らかにした．さらに，レンズ用光学ガラス基板のインデクテーションクラックによるレーザ後方散乱計測実験を行い，後方散乱光のラマン分光によるマイクロクラック近傍の応力場解析を展開するための予備調査を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度の研究計画では，量子もつれ光子対の２光子量子干渉に基づいた空間計量に関する基本原理の確立を確立するため，量子もつれ光子プローブ・空間計測系の構築と基礎実験を推進することを目標とした．具体的には，[P2-1]２光子量子干渉光学系によるガラス加工面深さ同定，[P2-2]散乱ドレスト光子計測における同時計数信号，光子選択条件などの最適化，および[P2-3]量子もつれ光子プローブによる散乱ドレスト光子計測の基本特性解析を遂行する計画であった．
まず[P2-1]に対しては，深さ同定の基準となる表面位置を測定するため共焦点光学系を構築し，ガラス表面位置の高精度な検出を行った．また，量子もつれ光源特性の再検証を行い，２光子量子干渉による空間計量の基盤技術を確立することができた．さらに[P2-2]に対しては，散乱ドレスト光子計測の基本技術となるレーザ後方散乱測定法および単結晶石英ガラス基板を用いたインデンテーション試験によるマイクロクラックの定量的評価法を確立し，マイクロクラック近傍におけるラマンスペクトル解析アルゴリズムの準備を進めている．
一方，一連の基礎実験により散乱ドレスト光子が極めて微弱であることが明らかになったため，ラマン分光光学系の仕様を再検討し，散乱ドレスト光子計測の高精度化を可能とする新たなフォトンレベル感度のラマン分光測定システムを構築した．それを用いて単結晶石英基板表面の圧痕およびマイクロクラック近傍におけるラマンスペクトル計測の基礎実験を遂行したが，コロナ感染による実験の停滞によって，量子もつれ光子対による２光子量子干渉測定のための十分な検証データが得られていない．さらに，そのデータを利用する必要性がある，[P2-3]に対するファイバー干渉光学系および量子もつれ光子プローブの試作に関しては未着手であることから，進捗状況として「やや遅れている」の評価とした．
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| Strategy for Future Research Activity |
実験計画の遅れを取り戻すため，新たな進展のあったフォトンレベル感度のラマン分光測定システムを効率的に利用し，応力場が石英ガラスよりも短距離秩序に支配されるレンズ用ガラス素材におけるラマンスペクトルのシフト量変化を高感度に捉えるため，基準データとなる単結晶石英基板表面の圧痕およびマイクロクラック近傍におけるラマンスペクトル計測を系統的に遂行する．その実験結果に基づき，レーザー後方散乱光測定および光子計数レベルの微弱ラマン分光測定を統合し，局所的な応力分布によるガラス分子構造変化とラマンスペクトルのピークシフトの関係を明らかにする．さらに，入射光とドレスト光子フォノンとの相互作用によって放出される散乱ドレスト光子の振動スペクトル（ラマン散乱分光）計測により，原子スケールの微視的構造や局所応力場の情報を反映したドレスト光子フォノンの検出とその状態推定手法を検討する．
次に，量子もつれ光子対による２光子干渉計測に関する基礎実験を遂行し，量子もつれ光子プローブによって検出されたレーザー後方散乱光による空間計測の基本原理を検証する．レーザ後方散乱パターンによって検出されたガラス加工表面マイクロクラック近傍の局所応力分布計測法への展開を図るため，ラマン分光測定システムと同時計数器を同期することにより，空間計測系と同距離の表面層深さから到達する散乱ドレスト光子のみによるラマン分光計測の可能性を明らかにする．
さらに，レーザー後方散乱光による実際のレンズ用ガラス素材のマイクロインデンテーションクラック測定およびレーザー後方散乱光のラマン分光分析を行い，擬似的加工表面層におけるマイクロクラックの幾何学的形態と，深さ数マイクロメートルのマイクロクラック近傍におけるナノ領域の局所的な短距離秩序による局所応力場の情報，すなわちナノ・サーフェスインテグリティの計測・解析手法の可能性を示す．
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Research Products
(4 results)
