粒子・微粒子のレーザ光束によるマニピュレート技術の開発に関する基礎研究

• 研究課題/領域番号: 03045049
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 大学協力
• 研究機関: 茨城工業高等専門学校
• 研究代表者: 清水 勲 茨城工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (80042464)
• 研究分担者: BRITON Jean INSA Rouen, エネルギシステム, 助手 ; LETOULOUZAN ジャン ノエル INSA Rouen, エネルギ, 助手 ; MAHEU Bruno INSA Rouen, エネルギ, 講師 ; GREHAN Gerar INSA Rouen, エネルギシステム, 研究主任 ; GOUESBET Ger INSA Rouen, エネルギ, 教授 ; 市毛 勝正 茨城工業高等専門学校, 電子情報工学科, 助手 (50223095) ; 高原 淑恵 茨城工業高等専門学校, 電子情報工学科, 講師 (50216777) ; 斎藤 保夫 茨城工業高等専門学校, 工業化学科, 教授 (10005374) ; 山本 信雄 茨城工業高等専門学校, 電気工学科, 助教授 (70042489) ; BRITON Jean Philipe INSA Roven, Dep. of Energy system Assistant ; LETOULOUZAN Jean Noel INSA Roven, Dep. of Energy Lecturer ; LE TOULOUZAN INSA de Rouen, エネルギシステム科, 講師 ; 四王天 正臣 茨城高専, 電子情報工学科, 助教授 (90206045) ; LE Toulouzan INSA de Rouen, エネルギシステム科, 講師
• 研究期間 (年度): 1991 – 1993
• 研究課題ステータス: 完了 (1993年度)
• 配分額: 5,400千円 (直接経費: 5,400千円); 1993年度: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円); 1992年度: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円); 1991年度: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円)
• キーワード: レーザ光圧力 / レーザ・マニピュレーション / 粒子制御 / 粒子の形状・寸法 / 粒子の非接触ふるい分け / Mie散乱 / 粒子の挙動 / 光トラップ力 / 粒子の非接触マニピュレート / 光バリア / クリーンルーム / 液中粒子のマニピュレート / 光走査 / 微粒子 / レ-ザ光圧力 / 粒子の排接触マニピュレ-ト / クリ-ンル-ム / 光共鳴吸収 / 溶液中粒子のマニュピュレ-ト / LorenzーMie散乱

研究概要

1.顕微鏡に粒子マニピュレート用YAGレーザ光と粒子形状・寸法測定用にHe-Neレーザと暗視野対物レンズ、接眼望遠鏡を組込み、YAGレーザ光で補捉した液中の1個ずつの粒子の光回折パターンから粒子の形状と寸法を測定しながら粒子の遠隔操作が可能なシステムが国内外においてはじめて開発された。
2.粒子のレーザ・マニピュレート法では粘性の強く働く液中での制御の方が操作後の粒子の位置が保持され易いため、空気中や真空中での粒子マニピュレーションよりもはるかに容易であることが明らかになった。従って、本研究では、より困難な空気中での粒子のレーザ・マニピュレート法についての研究が主になされた。
3.Mie散乱から運動量保存則により粒子に働く光圧力を求めることのできるマイクロコンピュータによる計算プログラムを完成させた。この計算法によるレーザ光中での空気中懸濁粒子の挙動のシミュレート結果を実験結果と比較すると、Mie散乱と運動量保存則からだけではレーザ光中の粒子挙動を正確に予測することができず、光圧力、トラップ力、共鳴吸収による力、熱泳動力などを総合した新たな粒子挙動解析法を構築する必要があることが明らかとなった。また国内、欧米での調査結果からも同様の結論が得られた。
4.なお、上記計算法による粒子挙動のシミュレートで明らかにされた「粒子マニピュレートにはレーザ光束のガウス分布を保つことの必要性」は実験的にもそのことが確かめられ、Mie散乱による計算プログラムの有効性の一部が確かめられた。
5.大気中での粒子の形状と寸法別の粒子のレーザ・マニピュレート法の開発1)大気中でレーザトラップされた粒子や光圧力により移動中の粒子からの光回折パターンの形状と寸法から粒子の形状とサイズを瞬時に識別する方法が開発された。これにより形状ごとに粒子をレーザ・マニピュレートする方法が拓かれた。
2)液晶ディスプレイのスペ-サ粒子として均一粒径の粒子が求められている。さて、粒子が受ける光圧力はその直径ごとに異なり、粒子サイズが数ミクロンの粒子をコンマ数ミクロンずつ異なる寸法差でふるい分けすることの可能性が理論的・実験的に明らかにされた。すなわち異なる寸法の混合粒子をレーザ光束中に落下させると光束中で光圧力によって移動させられる距離がその寸法ごとに異なり、粒子のふるい分けが可能となることが明らかとなった。
6.サブミクロン粒子の非接触収集法。例えば線香の煙などのサブミクロン粒子はレーザ光中を入射光の進行方向と逆方向に移動する。レーザ光焦点前後においても粒子は逆進する。従ってレーザ光源側にガラス板を設置すると、その上に煙粒子は付着捕集される。このようにサブミクロン粒子の捕集法が提案された。
7.サブミクロン粒子のレーザ光束中の挙動の理論的解明はこの期間には完成できなかった。欧米におけるサブミクロン粒子のレーザ・マニピュレート研究の現状調査でもこのことは未だ解明されておらず、今後の研究に待たれる。
8.現在行われている大粒子と原子・分子のレーザ・マニピュレートに対して、中間領域である粒径がサブミクロンからナノメータのオーダのメソスコピックな領域でのレーザ・マニピュレートの可能性についての本研究での検討結果と、欧米での討論調査とから、理論的にはレーザ光波長を変えて共鳴吸収効果を利用することにより、この領域でのレーザ・マニピュレーションの可能性が示唆された。
9.本研究では、Mie散乱による光圧力の計算プログラムの完成、大粒子の形状・寸法ごとのレーザ・マニピュレート法の開発、サブミクロン粒子の捕集法の開発や、メソスコピック領域でのレーザ・マニピュレート法の可能性の検討など種々の研究成果が得られ、欧米におけるこの種の研究と比較して、その優位性が調査結果から明らかとなった。
10.日仏両研究機関の共同研究の成果は、例えばクリンルーム技術等に実用技術として適用できること等が明らかとなり、その有効性が確認された。

研究成果

• [文献書誌] 清水勲: "大気中浮遊粒子に対するレーザ光バリア" 第40回応用物理学関係連合講演会講演予稿集. No.3. 855 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 清水勲: "エアロゾル科学・技術におけるメソスコピック領域の開拓" エアロゾル科学・技術研究討論会論文集. No.10. 27 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Size sieving of Particles by radiation pressure" Proc.of International Congress on Optical Particle Sizing. vol.3. 379-381 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 清水勲: "多重マッチトフィルタを用いた球形粒子の寸法別空間分布の測定法に関する研究" エアロゾル研究. vol.8,No.4. 307-314 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 清水勲: "粒子群の形状・寸法別の空間分布および挙動・速度の測定法に関する基礎研究(掲載決定)" エアロゾル研究. vol.9,No.1. 1-7 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Fundamental Study on laser manipulation of contamination particles with determining shape,size and species" Proc.of 6th International Sympo.on Advanced Nuclear Anergy Research. vol.6. 1-9 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "A technique manipulating small Particles with determining shape,size and location by laser beam(accepted)" Proc.of International Sympo.on Contamination Control. vol.12. (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Contamination control by radiation pressure(accepted)" Proc.of International Sympo.on Contamination Control. vol.12. (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Laser beam barrier for the particles suspended in the air" Proc. of the 40th Meeting Japan Society of Appl. Physics and Related Societies. 3. 855 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Proposal for developmental research on mesoscopic field in aerosol Science" Proc. of The 10th Sympo. on Aerosol Science and Technology. 10. 27 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Size sieving of Particles by radiation pressure" Proc. of International Congress on Optical Particle Sizing. 3. 379-381 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Investigation for simultaneous measurement of the size and position of spherical particles by a Multiplexed Matched Spatial Filter" Journal of Aerosol Research, Japan. 8(4). 307-314 (1993)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Determination of spatial distributions, behavior and velocity of particles for each shape and size" Journal of Aerosol Research, Japan. 9(1). 1-7 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Fundamental study on laser manipulation of conlamination particles with determining shape, size and species" Proc. of 6th Intern. Sympo. on Advanced Nuclear Anergy Research. 6. 1-9 (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "A technique manipulating small particles with determining shape, size and location by laser beam" Proc. of Intern. Sympo. on Contamination Control. 12. accepted (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Contamination control by radiation pressure" Proc. of Intern. Sympo. on Contamination Control. 12. accepted (1994)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Elimination and manipulation of small particles suspended in the atmosphere by laser beam" Proc.of the 11th International Symposium on Contamination Control,International Confederation of Contamination Control societies.11. 479-484 (1992)
• [文献書誌] 清水 勲: "大気中微粒子のレーザ制御と粒子挙動" 第53回応用物理学会 学術講演会 講演予稿集. AP92112400. 1185-1185 (1992)
• [文献書誌] 清水 勲: "大気中浮遊微粒子に対するレーザ光バリア" 第40回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集. (1993)
• [文献書誌] Isao SHIMIZU: "Size Sieving of particles by radiation pressure" 3rd International Congress on Optical Particle Sizing. 3. ACCEPTEAL (1993)
• [文献書誌] Gerard GREHAN: "Comparison of the diffraction theory and the generalized Lorenz-Mie theory for a sphere arbitrarily located into a laser beam" Optics Communications. 90. 1-6 (1992)
• [文献書誌] K.F.REN: "Localized approximation of generalized Lorenz-Mie theory:faster algorithm for computotion of beam shape coefficient g^m_n." Particle and Particle Systems characterization. 9. 144-150 (1992)
• [文献書誌] 清水 勲: "レ-ザ-ビ-ムのバリアによるウエハ汚染防止" 第10回空気清浄とコンタミネ-ションコントロ-ル研究大会 講演論文集(空気清浄協会). 第10. 97-100 (1991)
• [文献書誌] 清水 勲: "微粒子の移動制御技術" 光学(日本光学会). 21 No.2. 87-88 (1992)
• [文献書誌] 清水 勲: "大気中浮遊粒子のレ-ザ・マニピュレ-ションに関する研究" 第39回応用物理学関係連合講演会予稿集. 39回 28aーBー5. 787-787 (1992)
• [文献書誌] 清水 勲: "レ-ザ光束による大気中浮遊粒子の排除及び遠隔操作に関する基礎研究" 計測自動制御学会論文集. (1992)
• [文献書誌] Isao Shimizu: "Elimination and Manipulation of Particles suspended in the Atmosphere by Laser Beam." Proc.of 11th International Symposium on the Future Practice of Contamination Control.International Committee of Contamination Control Societies. 11. (1992)
• [文献書誌] K.F.Ren: "Radiation Pressure Force Exerced on a Particle Arbitrarily Located in a Gaussian Beam by Using the Generalized Lorenz-Mie theory" J.of Applied Physics. 21,24 (1992)