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

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，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．