Study on Nano-in-process Measurement of Glass Surface Layer using Electron Enhanced Raman Scattering Spectroscopy (EERS) in Laser Filamentation

激光丝中电子增强拉曼散射光谱 (EERS) 玻璃表面层纳米过程测量的研究

基本信息

批准号：
22H01375
负责人：
高谷裕浩
金额：
$ 11.07万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

近年，ガラスは広範な製造分野において新たな応用展開が進み，持続的な安全性・耐久性・信頼性が求められている．ガラス研磨工程において，最終仕上げ面に残存するナノ・クラックを極限まで低減することができれば，理論強度に迫る高強度化が可能となる．そこで本研究は，フェムト秒パルスレーザのレーザフィラメント電子増強ラマン散乱効果による超高感度化によって，ナノ・クラック先端応力場のラマン分光解析に基づいたクラック深さ推定を可能とする，新たなナノ・クラックの応力・深さ計測原理を確立する．本年度は，レーザフィラメント生成メカニズムの解明およびその制御方法を確立するため，基本光学系の設計・試作とその基本動作検証および極微弱ラマン散乱分光計測と２光子吸光励起蛍光計測の基礎実験に注力し，つぎの研究成果[1]から[3]を得た．[1]:フォトンカウンティングレベルの超高感度分光器を組み込んで極微弱光ラマン分光計測光学系を設計・試作し，さらに表面層深さの励起位置を定量的に分析するため，共焦点法による位置検出光学系を導入した．[2]:計測システムの再現性を保証するための基準試料としてダイヤモンドを選定し，ラマンスペクトル計測を遂行した．ローレンツフィッティングによってラマンスペクトルピーク値の測定精度向上を確認し，ラマンスペクトルのピーク波数および半値全幅の微小変化に基づいて，クラック生成による分子構造変化との関連性を解析するための測定システムの有効性を示した．[3]:サファイアガラスの融点は2040 ℃であるため，レーザフィラメント電子増強ラマン散乱効果(LFmEER)の特性解析用試料として適している．そこで，光学結晶として優れた光学特性を有するサファイアガラスのラマンスペクトル計測の基礎実験を遂行した．十分なSN比を確保するために，最適な測定条件を同定する必要があることを明らかにした．

近年来，玻璃的新应用在广泛的制造领域中得到了发展，并且需要持续的安全性、耐用性和可靠性。在玻璃抛光过程中，如果能够最大限度地减少最终成品表面上残留的纳米裂纹，就有可能将强度提高到接近理论强度。因此，本研究旨在开发一种基于纳米裂纹尖端应力场拉曼光谱分析的新型纳米裂纹深度估计方法，利用激光灯丝电子增强拉曼散射效应带来的超高灵敏度。建立了裂纹应力和深度测量的原理。今年，为了阐明激光灯丝产生机理并建立其控制方法，我们将重点设计和原型化基本光学系统，验证其基本操作，并进行超弱拉曼散射光谱和双光子基础实验。通过吸收激发荧光测量，我们获得了以下研究成果[1]至[3]。 [1]：我们设计并原型设计了包含光子计数级别超高灵敏度光谱仪的超弱光拉曼光谱测量光学系统，并使用共焦方法定量分析了表层深度的激发位置介绍了位置检测光学系统。 [2]：选择金刚石作为参考样品，以保证测量系统的再现性，并进行拉曼光谱测量。该测量系统通过洛伦兹拟合确认拉曼光谱峰值测量精度的提高，并根据峰值波数和半峰全宽的微小变化分析与裂纹产生导致的分子结构变化的关系显示了拉曼光谱。 [3]：由于蓝宝石玻璃的熔点为2040℃，因此适合作为表征激光灯丝电子增强拉曼散射效应（LFmEER）的样品。因此，我们对蓝宝石玻璃作为光学晶体具有优异的光学性能进行拉曼光谱测量基础实验。很明显，有必要确定最佳测量条件以确保足够的信噪比。