サブサイクル中赤外超短パルスレーザーを用いた輻射力による光物質操作

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 21K14555
• 研究機関: 豊田工業大学
• 研究代表者: 工藤 哲弘 豊田工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (20768270)
• 研究期間 (年度): 2021-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 光マニピュレーション / 中赤外レーザー / 分子振動共鳴 / 分子選別

研究実績の概要

最終年度の研究成果：世界で初めての試みとなる中赤外領域のレーザーを用いた新しい光操作の可能性を探求した。結果として、中赤外レーザーにより、微小物質の分子振動準位を励起することで、その励起された分子種のみを選択的に光操作できる原理を発見した。具体的には、ガラス微粒子などに含まれるシロキサン結合の分子振動を中赤外量子カスケードレーザーで励起することで、シロキサン結合からなる微粒子を選択的に光輸送することに成功した。今後様々な物質への適応性及び汎用性を示すことで、分子構造に応じた新しいクロマトグラフィーが可能になると期待される。また近赤外超短パルスレーザーによる電子遷移励起による共鳴光トラップの実験も遂行しており、色素がドープされている物質に働く輻射力が増大することを明らかにした。他にも、副次的であるが3μmフッ化物ファイバーレーザーを用いた温度勾配を利用した光熱トラップによる従来よりも効率的な光操作が可能であることも示した。また海外との共同研究による多数の成果も挙げている。

研究期間全体の研究成果：当初計画書で提案したサブサイクル中赤外パルスレーザーにより新しい光操作技術であるが、初年度の電場包絡線も含めた理論計算により、サブサイクルによる期待していた新しい寄与が、非常に小さくなることがわかった。研究計画の方向転換が必要となり、当初計画書に記載されている中赤外レーザーによる分子振動共鳴効果を利用した選択的光操作実験に移行した。その結果、最終年度の研究成果で述べたように見事成功した。当初の目標から派生した成果であるが、本研究を遂行することで、分子構造に応じた分子選別が可能であることが実験的に初めて示された。

研究成果

• [国際共同研究] Katholieke Universiteit Leuven(ベルギー)
  • 国名: ベルギー
  • 外国機関名: Katholieke Universiteit Leuven
• [国際共同研究] Max Planck Institute(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Institute
• [国際共同研究] Lund University/University of Gothenburg(スウェーデン)
  • 国名: スウェーデン
  • 外国機関名: Lund University/University of Gothenburg
• [国際共同研究] Institut Quimic de Sarria(スペイン)
  • 国名: スペイン
  • 外国機関名: Institut Quimic de Sarria
• [国際共同研究] National Yang Ming Chiao Tung University(その他の国・地域)
  • 国名: その他の国・地域
  • 外国機関名: National Yang Ming Chiao Tung University
• [雑誌論文] Unravelling 3D Dynamics and Hydrodynamics during Incorporation of Dielectric Particles to an Optical Trapping Site (2023)
  • 著者名/発表者名: Louis Boris、Huang Chih-Hao、Camacho Rafael、Scheblykin Ivan G.、Sugiyama Teruki、Kudo Tetsuhiro、Melendez Marc、Delgado-Buscalioni Rafael、Masuhara Hiroshi、Hofkens Johan、Bresoli-Obach Roger
  • 雑誌名: ACS Nano 巻: 17 ページ: 3797～3808
  • DOI: 10.1021/acsnano.2c11753
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 2 μm Tm-doped fiber laser trapping of colloidal particles by temperature gradient (2022)
  • 著者名/発表者名: Mamuti Roukuya、Fuji Takao、Kudo Tetsuhiro
  • 雑誌名: Proceedings of SPIE 巻: 12479 ページ: 68-70
  • DOI: 10.1117/12.2659039
• [雑誌論文] Midinfrared Optical Manipulation Based on Molecular Vibrational Resonance (2022)
  • 著者名/発表者名: Statsenko Anna、Darmawan Yoshua Albert、Fuji Takao、Kudo Tetsuhiro
  • 雑誌名: Physical Review Applied 巻: 18 ページ: 054041
  • DOI: 10.1103/PhysRevApplied.18.054041
  • 査読あり
• [雑誌論文] The primeval optical evolving matter by optical binding inside and outside the photon beam (2022)
  • 著者名/発表者名: Huang Chih-Hao、Louis Boris、Bresol-Obach Roger、Kudo Tetsuhiro、Camacho Rafael、Scheblykin Ivan G.、Sugiyama Teruki、Hofkens Johan、Masuhara Hiroshi
  • 雑誌名: Nature Communications 巻: 13 ページ: 5325
  • DOI: 10.1038/s41467-022-33070-w
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] The Optical Absorption Force Allows Controlling Colloidal Assembly Morphology at an Interface (2022)
  • 著者名/発表者名: Chang Yu‐Chia、Bresol‐Obach Roger、Kudo Tetsuhiro、Hofkens Johan、Toyouchi Shuichi、Masuhara Hiroshi
  • 雑誌名: Advanced Optical Materials 巻: 10 ページ: 2200231～2200231
  • DOI: 10.1002/adom.202200231
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] Selective mid-infrared optical manipulation based on molecular vibrational resonance (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshua Albert Darmawan, Takuma Goto, Anna Statsenko, Taiki Yanagishima, Takao Fuji, Tetsuhiro Kudo
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [学会発表] 3μm Er:ZBLANファイバーレーザーを用いた熱泳動による光物質操作 (2023)
  • 著者名/発表者名: Roukuya Mamuti, 清水 雅也, 藤 貴夫, 工藤哲弘
  • 学会等名: レーザー学会学術講演会第43回年次大会
• [学会発表] Mid-Infrared Optical Sorting of Microparticles Composed of Si-O-Si Bonds (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshua Albert Darmawan, Takuma Goto, Taiki Yanagishima, Takao Fuji, Tetsuhiro Kudo
  • 学会等名: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] 2 μm Tm-doped fiber laser trapping of colloidal particles by temperature gradient (2022)
  • 著者名/発表者名: Roukuya Mamuti, Takao Fuji, Tetsuhiro Kudo
  • 学会等名: Optical Manipulation Conference(OMC) 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Direct trapping of micro particles with a 2 μm Tm-doped fiber laser (2022)
  • 著者名/発表者名: Roukuya Mamuti, Takao Fuji, Tetsuhiro Kudo
  • 学会等名: CLEO-Pacific Rim 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Guiding the Expanding Direction of Optically Evolved Swarming of Gold Nanoparticles by Lithographically Fabricated Gold Nanodisks (2022)
  • 著者名/発表者名: Chih-Hao Huang, Ya-Chiao Lee, Teruki Sugiyama, Tetsuhiro Kudo, Xu Shi, Kosei Ueno, Hiroaki Misawa, Hiroshi Masuhara
  • 学会等名: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [備考] 中赤外量子カスケードレーザーによる分子選別の新たな原理を発見 ～レーザ科学研究室 工藤哲弘 講師 他
  • URL: https://www.toyota-ti.ac.jp/news/checktti/002043.html
• [産業財産権] 微粒子操作装置 (2023)
  • 発明者名: 工藤哲弘、藤貴夫
  • 権利者名: 工藤哲弘、藤貴夫
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 2023-001829