2021 Fiscal Year Research-status Report
Investigation of the nonlinear relaxation of electrophoresis phenomenon by ultra-high sensitive laser using self-mixing laser
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21K03492
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
須藤 誠一 東京都市大学, 理工学部, 教授 (10453945)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 自己光混合 / 光感度 / コロイド粒子 / 電気泳動現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
粒子径がnmの粒子の電気泳動現象では、粒子周囲のイオンの追従特性を反映した非線形効果が伴うため、泳動速度の時間依存性がべき乗則に従うことが予言されている。しかし、この時間依存性を観測するには高光感度、高時間分解能の光散乱計測手法が必須であり、未だ観測結果は報告されていない。
我々はこれまで、固体レーザーを用いて微弱散乱光を高感度で検出するオリジナルの自己光混合効果の研究を展開してきた。この手法では、レーザー光を試料に照射することで生じる散乱光をレーザーに帰還させると、散乱帰還光と発振光が干渉し、発振レーザー光が強度変調される。変調された発振レーザー光には試料の情報が重畳されており、レーザー光を検出器で観測することで試料の状態が評価できる。この自己光混合法を用いて、コロイド分散液(粒子径330 nm)の泳動速度の時間依存性が観測できた。観測された泳動速度の時間依存性は指数関数（破線）から逸脱し、べき乗則を示した。しかし、粒子径1μm以下では、散乱光強度は粒子径の減少と共に急激に減少するため、既存の自己光混合法では粒子径が10 nm以下の粒子の泳動現象の実時間観測ができない。そこで本研究は、自己光混合法の高光感度化を達成し、粒子径が0.1 nm～1μmの粒子の電気泳動現象の実時間観測を行い、泳動現象の全容を明らかにすることを目的とする。
本年度の研究では、自己光混合法の高光感度化を推進した具体的には、1.計測原理の確認、2.電気泳動セルの開発、3.ルビーレーザのセットアップを行った。これらの研究によって、内部に安定した電場を形成する電気泳動セルの開発を達成した。また、オリジナルの手法で、ルビーレーザの発振を達成したが、光強度が十分ではなかった。次年度は、より強度の高いルビー光の発振を目指す。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度は、1.計測原理の確認、2.電気泳動セルの開発、3.ルビーレーザのセットアップを行った。
1：自己光混合レーザーに配置された線形単一モード固体レーザーでは、強度確率分布、結合時間周波数分析、時間的進化の程度、長期的な時間的進化の振幅と位相の乱れ、および短期フーリエ変換の結果が動的に特徴付けられる。これらの特徴と位相の量子ノイズ（自然放出）による影響を明らかにするために、実験結果を回転散乱物体からのドップラーシフト光フィードバックを受けたシングルモード自己混合固体レーザーのモデル方程式の数値シミュレーションによって再現し、相互検討を行った。
2：電気泳動セルは、内部にコロイド分散液を充填して両端に直流電圧を加えることで、分散液中のコロイド粒子を泳動させる構造となっている。このとき、①泳動セルに対してレーザ光を平行に近づけることで、変調度が増加し、観測が容易になる。しかし、対物レンズを泳動セルに近づける必要があるため、泳動セル全体と対物レンズの空間配置が重要となる。②一般に測定用セルには石英セルを用いるが、セルの表面がマイナスに帯電することで、セル中心付近では逆向きの流れが生じる。そのため、泳動セルの中心付近に安定した電場を形成させるための、セルサイズを検討する。これらの問題を解決するために、電場シミュレーターを用いて、泳動セル内部及び周囲の電場を計算し、最適化を行った。
3：ルビーレーザを用いた自己光混合計測を行うために、ルビーレーザの開発を行った。当初、EFG法を用いたルビーを作成したが、クロムの分布が不安定で、蛍光スペクトル測定による評価では励起光に対する十分な吸収が生じなかった。そこで、ベルヌーイ法による作成に方針転換した。蛍光スペクトル測定によって十分な吸収を確認し、レーザ発振を達成したが、十分な光強度が得られなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
自己光混合法では、変調強度がレーザー媒質の蛍光対光子寿命比の自乗に比例する。共振器長に比例した短い光子寿命（~数100 ps）を有する薄片固体レーザーの蛍光対光子寿命比は他のレーザーに比べて極めて大きいため、自己光混合法の光源に用いることで高光感度での変調波の観測が可能となる。最終目的であるナノコロイド粒子の電気泳動現象の実時間変化の観測では、従来の手法に比べて高い光強度を得るために、上記のレーザに比べてさらに蛍光寿命が長いルビーを用いることを検討してきた。
一方、この自己光混合法の原理の確認の中で、GdVO4レーザの発振手法を従来の方法とは異なる配置にすることで、光感度の増強が見込めた。そこで、22年度は、ルビーレーザ光の高光強度発振と、GdVO4レーザを用いた手法の両面から研究を進める。
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| Causes of Carryover |
ルビーレーザの開発では、ルビーの作成費、加工費、及びレーザ媒質として用いるための反射、透過膜の構築作業が必要となる。当該年度、設計したルビーの作成を請け負える業者が見つからず、発注が遅れたため、繰り越しが生じた。
次年度は当該年度に利用したメーカーに発注を行っていくため、円滑な研究開発が進められると考えている。
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