2016 Fiscal Year Annual Research Report
On investigation of molecules selective transport at thermos-fluid gas-liquid interface by hybrid nonlinear optical imaging technique
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15H02223
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
佐藤 洋平 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (00344127)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 熱流動界面時空間分子選択的輸送現象 / 非線形ラマン散乱 / 非共鳴バックグラウンドノイズ / ハイブリットイメージング法 / 分子選択的輸送ダイナミクス理論 / エバネッセント波 / CARS / 平衡・非平衡領域 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱流動を伴う界面における分子の選択的輸送現象に関する新たなダイナミクス理論の体系化を目的として，分子の微視的挙動を計測可能とするハイブリット非線形ラマン散乱イメージング法の開発を４ヶ年に渡り行う．今年度の研究成果を下記に述べる．
１．前年度の結果より，光学系の角度調整が非常に困難なBox CARSではなく，レーザ光径の変換が容易なColinear CARSを採用し，前年度に開発したColinear CARS光受光システム，および偏光CARS光受光システムを，マイクロデバイス内に形成される液体・液体界面における化学反応に適用し，電解質溶液濃度分布の計測を行った．また，デバイスを構成する材質として，石英ガラスおよびホウケイ酸ガラスを選定し，ガラスからの非共鳴バックグラウンドノイズのCARS光強度に及ぼす影響を定量的に明らかにした．
２．更に，二酸化炭素および窒素からなる気流混合場にも適用し，各気体の濃度分布計測を行った．デバイス材質として石英ガラスのみとし，ガラスからの非共鳴バックグラウンドノイズのCARS光強度に及ぼす影響の低減化を図った．
３．前年度の結果より，レーザ光を液体内にて全反射させ，気流側にエバネッセント波を発生可能となったが，液体からの非共鳴バックグラウンドノイズが非常に大きく，CARS光取得が困難であることが明らかとなった．そこでダブルプリズム方式によってポンプ光およびストークス光を直接全反射させ，エバネッセント波を界面に発生させ，界面極近傍に存在する分子からのCARS光を取得する計測システムの構築を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
非線形ラマン散乱光を用いて，熱流動を伴う界面における気体分子の時空間選択的輸送現象の解明を目標として，CARS光発生方式の違いによる非共鳴バックグラウンドノイズの定量的評価，ならびにハイブリッドCARS光計測システムの開発を行い，今年度の進捗状況は概ね良好である．
１．開発したハイブリッドCARS光計測システムをマイクロデバイス内電解質溶液に適用し， 今年度は高濃度および低濃度において，CARS光強度が濃度の二乗に比例することが明らかとなり，理論と一致することを確認した．
２．デバイス材質であるガラスからの非共鳴バックグラウンドノイズの低減化法の確立に成功し，二酸化炭素および窒素から成る気流への適用も可能となり，界面近傍に存在する分子からのCARS光を取得可能となる計測システムの構築を行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
界面極近傍のエバネッセント波照射領域は，従来，連続体（平衡領域）を支配するNavier-Stokes方程式の境界条件として扱われてきたが，微視的観点に立脚すると，Boltzmann方程式で表される非平衡領域に相当する．Boltzmann方程式およびNavier-Stokes方程式と連動した，分子の選択的輸送現象を表す新たなダイナミクス理論の構築に向けて，今後は，
１．前年度までの計測結果より，ラマン散乱光あるいはレイリー散乱光に起因するノイズ，更に非共鳴バックグラウンドノイズとして処理していた現象が，実は，今まで未解明であった光学現象であることが判ってきた．ノイズが計測結果に及ぼす影響があまりにも顕著であり，また再現性もあることから，ノイズ除去という単純な処理で，分子濃度分布を求めていたが，様々なバンドパスフィルタを介して，即ち，様々な波長におけるラマン散乱形態が著しく異なっており，現段階では，電解質溶液中の水分子の振動モードに起因しているのではないかと推測できる．本年度は，ラマン散乱の理論的なアプローチを採用し，水分子の振動モードが計測結果に及ぼす影響の定量的な把握を行う．
２．前年度は，ポンプ光およびストークス光を直接全反射させ，エバネッセント波を界面に発生させ，界面極近傍に存在する分子からのCARS光を取得可能とするシステムの開発を行ったが，時空間の位相を合わせることが困難であったため，今年度は，(1)ポンプ光のみを全反射，ストークス光は体積照射，(2)ストークス光のみを全反射，ポンプ光は体積照射を行うシステムの開発を行い，世界に先駆けてエバネッセント波を励起光としてCARS光を発生可能とするシステムの開発を行う．また，発生する非共鳴バックグラウンドノイズ強度や波長毎の散乱形態の影響を定量的な把握を行う．
３．水分子の振動モードが及ぼす影響を，散乱光分布からの定量的把握を行う．
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Research Products
(10 results)
