| 研究課題/領域番号 |
17K06076
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| 研究機関 | 長岡技術科学大学 |
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研究代表者 |
田邉 里枝 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (70432101)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | レーザーアブレーション / ナノ粒子 / 発光 / 可視化 |
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| 研究実績の概要 |
液中レーザーアブレーションによる微粒子生成法がある。薬品や真空装置を必要とせず他の微粒子作製法と比べて簡便な方法であるが、生成される粒径分布の制御は難しい。微粒子生成において、生成する微粒子の粒径分布や形態をコントロールすることは重要な研究課題であるが、その一方で、それらをコントロールするためには、微粒子は、いつ、どこで、生成するのかについて把握することが重要であり、近年、その生成メカニズムの解明に関心が集まっている。そこで我々は、液中レーザーアブレーション現象を、我々が開発した高速度レーザーストロボビデオ撮影法によるシャドウグラフ動画の撮影を通じて研究してきた。これまでに、液中の金属へのレーザー集光照射により、レーザー照射部を中心に発生した衝撃波の伝搬、その後生成されるキャビテーションバブルの挙動を明瞭に撮影し、検討してきた。金属試料を用いた場合、レーザー照射から数ミリ秒後のバブルが崩壊、消失した以降の時間帯で、試料表面から微粒子の群れと思われる影の移動が観察されたが、1枚１枚の画像を見るだけでは、粒子の存在を認識することが非常に困難で、拡大率や観察手法などを改善する必要があった。
これらの困難を克服するために、本研究では、紫外光を当てると発光する蛍光体を試料に用いて、液中レーザーアブレーションによる蛍光ナノ粒子の生成プロセスを可視化することを目的とする。これによって蛍光ナノ粒子が生成されるタイミングを特定し、微粒子の空間分布とその時間変化を明らかにできるのではないかと考えた。H28年度は、試料としてYVO4:Eu3+、励起光源として水銀ランプを用いて、あらかじめ準備したYVO4:Eu3+粒子のコロイド溶液の発光の様子を高速度ビデオカメラで撮影する条件を模索した。また、撮影画像の拡大率を高めるため、撮影光学系の改良についても検討を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究は、紫外光を当てると発光する蛍光体を試料に用いて、液中レーザーアブレーションによる蛍光ナノ粒子の生成プロセスを可視化することを目的としている。蛍光体としてYVO4:Eu3+、YVO4:Eu3+を発光させる励起光源として水銀ランプ、アブレーション用レーザーとしてNd:YAGレーザーを用いた。蛍光ナノ粒子の生成プロセスを明らかにするために、レーザーを１パルス照射した際に生成されるナノ粒子の発光を高速度撮影する必要があるが、これまでのシャドウグラフ法とは異なり、照明光を用いずに発光現象を撮影するため、ナノ粒子の発光輝度がカメラの感度に十分であるか調べる必要がある。また、これまでの撮影システムよりも高倍率での撮影が必須である。そこで、焼結させたYVO4:Eu3+試料を純水中に置き、ナノ秒レーザーを試料に集光照射して、YVO4:Eu3+粒子のコロイド溶液を作り、ナノ粒子が懸濁している溶液に水銀ランプを照射して粒子を発光させ、高速度ビデオカメラでの撮影条件を調べた。また、拡大率を高めるため、光学系の改良の検討を行った。当初の研究計画では、これらの事前準備から得た実験条件や撮影条件を参考にして、実際に、液中レーザーアブレーションを引き起こした際の1パルス照射における蛍光ナノ粒子の発光の撮影を実施し、撮影速度を変化させながら、発光が観察され始めるタイミングや場所を特定する計画であったが、アブレーションに用いていたYAGレーザーの故障が起こったため、予定よりやや遅れている。
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| 今後の研究の推進方策 |
昨年得た実験条件や撮影条件を参考にして、液中レーザーアブレーションを引き起こした際の、水銀ランプで励起した蛍光ナノ粒子の発光の高速度撮影を行う。もし、YVO4:Eu3+粒子の発光が弱くて撮影できない場合は、他の蛍光体の使用を検討する。ナノ粒子の発光輝度は紫外光の強度で調整することが望ましいが、水銀ランプの輝度調整は難しい。レーザーはエネルギー調整により輝度の調整が可能である。また、水銀ランプは連続光源のため、撮影のシャッタースピードはカメラに依存し、最速でもマイクロ秒になる。バブル消失後の微粒子と思われるものの撮影には充分であるが、アブレーション直後の現象解明には遅すぎる。そこで、ピコ秒の超短パルスレーザーを励起光源として用いる観察システムの構築を進める。現有のピコ秒超短パルスレーザーは、基本波（波長1064nm）と第2高調波（波長532nm）を出力できる。紫外光を出力するには紫外光発生ユニットが必要であるが、製造元では、本装置に対応する紫外光発生ユニットを製造していなため、第3高調波（波長355nm）または第4高調波（波長266nm）を出力するために必要な光学部品を揃え、外部に光学系を組んで高調波発生ユニットを構築し、現有のレーザー装置を用いて紫外光を発生させる計画である。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
設備備品として紫外線LED照射器を購入予定であったが、研究協力者から水銀ランプを借用することが出来たため、購入を見送った。現有の超短パルスレーザーから紫外光を発生させるシステムを構築するためには、当初の見込みより費用がかかることが判明したので、昨年度の繰り越し分から充填する。
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