マイクロ光ファイバーを用いた微小気泡・液滴計測の高精度化と医療計測への展開

利用微型光纤提高微气泡和液滴测量的精度及其在医学测量中的应用

基本信息

批准号：
13J02476
负责人：
水嶋祐基
金额：
$ 1.73万
依托单位：
Shizuoka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2016-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

エネルギー・環境問題に加えて，わが国では後期高齢者の増加に伴う医療へのニーズがますます高まることが想定される中，計測の機能・精度・実用に対する要求はより増していく．これら要求を満たすため，これまで開発してきた気泡・液滴計測用光ファイバープローブ（以下OFP）に流速測定・分光測定・温度測定・集光の機能を選択的に付与可能な多機能型マイクロOFPを提案することを本研究の目的とする．当該年度において，フェムト秒パルスレーザー（以下FPL）による非熱的マイクロプロセスの物理的作用について実験を行った．透明材料とみなした水，アセトン，エタノール各液体中にFPLを集光照射，集光点での非線形光学現象を高時空間分解計測（<1 [ps], <10 [μm/pixels]）した．すると，FPLの照射直後（<400 [ps]）にFPL集光部でフィラメント状の影（FPLの非線形光学領域，約100 [μm]）が観察された．このフィラメント長さはFPLのパルスエネルギーと液体のイオン化傾向（バンドギャップ）に依存して決定される，「加工深さ」である．すなわちFPL導波路の電離度が加工精度と密接に関わっていることが証明された．上記結果を踏まえて，FPL加工を施した新規OFP（Fs-TOP）による気液検出精度を大幅に向上させた．すなわち，OFP加工を行う雰囲気を空気中，水中とした場合のFs-TOPの性能について比較検討した結果，水中で加工した場合の方が気液検出の不確かさが空気中の場合の2倍ほど改善されることが明らかになった．これは空気の粒子密度やイオン化傾向が水よりも低く，フィラメント長が短くなることで熱溜り（プルーム）が形成，加工部の微細な焦げつきがセンシングの不確かさを生んだことによる．以上の成果はいずれも世界初の試みであり，FPLの物理現象から実用スケールの加工法に至るまでを分野横断的に研究した．

除了能源和环境问题外，随着日本老年人数量的增加，医疗保健的需求预计也会增加，对测量功能、精度和实用性的要求也会增加。为了满足这些需求，我们开发了多功能微型OFP，可以在我们开发的用于测量气泡和液滴的光纤探头（OFP）上选择性地添加流速测量、光谱测量、温度测量和光聚焦功能到目前为止，本研究的目的是提出建议。在本财年，我们使用飞秒脉冲激光器（FPL）对非热微加工的物理效应进行了实验。我们将 FPL 聚焦到水、丙酮和乙醇液体中，这些液体被认为是透明材料，并以高时空分辨率 (<1 [ps], <10 [μm/pixel]) 测量聚焦点处的非线性光学现象。． FPL照射后（<400[ps]），立即在FPL聚光镜处观察到丝状阴影（FPL非线性光学区域，约100[μm]）。该灯丝长度就是“处理深度”，它取决于FPL脉冲能量和液体的电离趋势（带隙）。换句话说，事实证明FPL波导的电离程度与加工精度密切相关。基于上述结果，我们使用具有 FPL 处理的新型 OFP（Fs-TOP）显着提高了气液检测精度。换句话说，通过对Fs-TOP在空气和水中进行OFP处理时的性能进行比较研究，发现在水下进行处理时气液检测的不确定度大约是在空气中处理时的两倍显然，这一点还可以改进。这是因为空气的粒子密度和电离倾向低于水，并且灯丝长度的缩短会产生热池（羽流），并且处理区域中的微小燃烧会造成传感的不确定性。上述成果均为世界首创，涉及从FPL物理现象到实用规模处理方法的跨学科研究。