Investigation of the nonlinear relaxation of electrophoresis phenomenon by ultra-high sensitive laser using self-mixing laser

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K03492
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13040:Biophysics, chemical physics and soft matter physics-related
• Research Institution: Tokyo City University
• Principal Investigator: Sudo Seiichi 東京都市大学, 理工学部, 教授 (10453945)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ルビーレーザー / 自己光混合効果 / コロイド粒子 / 電気泳動

Outline of Final Research Achievements

We have been studying the self-photomixing effect of detecting weak scattered light using a solid-state laser. In this measurement principle, the modulation intensity is proportional to the square of the fluorescence-to-photon lifetime ratio of the laser medium. We have developed an optical system that uses a rubylaser with a fluorescence lifetime of 3.4 ms to continuously oscillate. The photon lifetime is 163 ps, and the fluorescence-to-photon lifetime ratio (i.e., the optical sensitivity of the system) is K = 2.09*10 to the power of 7 (a photosensitivity more than 10 times higher than that of conventional technology). Using this system, we have been able to measure the time change in the migration speed of colloidal particles undergoing AC electrophoresis with a resolution of microseconds. From these results, we will develop molecular modeling of the nonlinear relaxation effect of the migration phenomenon.

Free Research Field

レーザー光学、溶液科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

ルビーレーザーは1960年に人類が初めて手にしたレーザーであるが、4準位レーザーと比べて発振効率が悪く、パルス発振に限られるため、近年では忘却された技術となっていた。本研究で、連続発振が達成できた。自己光混合法は、様々な状態の振動体の振動計測、速度計測など、幅広いメテオロジーに応用できることから、ルビーレーザーの優れた応用の可能性が拓けた。
コロイド粒子の泳動特性の非線形緩和効果は、理論的アプローチが進められているが、実験的検証が進んでいない。構築したシステムで泳動速度の時間依存性が取得できるようになった。これらの結果から泳動現象の非線形緩和効果の分子モデリングが展開できるようになった。