冷間加工した金属のひずみを取り除く熱処理である焼鈍は、鋳造や圧延、鍛造の後に広く行われる工程であり、回復・再結晶・粒成長という段階を経て結晶粒組織が作り替えられる。小さな結晶粒は強度と延性を両立するため、冷間加工と再結晶は微細な組織を得る手段として意図的に用いられる。目的の組織を得るには加工量・温度・時間の管理が要るため、工程の途中で組織を非破壊で見張れれば、材料の状態を的確に制御でき、製造時間の最適化にもつながる。試料表面を伝わる弾性波の位相速度を測って結晶方位の分布を画像化する空間分解音響分光法は、走査が速く、動的な組織変化の撮像に適している。

　しかし、組織の確認は工程の最後に光学顕微鏡やX線回折、硬さ試験で行うのが一般的であり、変化の過程そのものは見えない。実時間観察ができる後方散乱電子回折や高温共焦点レーザー走査顕微鏡は、走査できる試料寸法が限られ、厳密な試料調製を要する。縦波の減衰から粒径を推定するレーザー超音波法は非接触で高温にも使えるものの、組織を直接撮像できず、粒径は間接的な推定にとどまる問題点がある。

　そこで、本研究では加熱台を組み込んだ空間分解音響分光法でβスズを連続走査することによって、解決した。室温から10 ℃刻みで200 ℃まで昇温しつつ4分ごとに走査した処理では、80 ℃付近で新たな結晶粒が生じる様子が捉えられ、平均速度は50〜110 ℃で上昇したのち緩やかに低下し、再結晶と粒成長を区別できた。60 ℃で24時間保持した処理では最初の30分で再結晶が進み、粒径は74 μmから150 μmへ増大した。Cobolt社製の532 nmCWレーザーは、赤外Qスイッチレーザーが励起した表面弾性波による表面の揺らぎを読み取る探査光として使われ、波の周波数から速度を求めた。

※本記事は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）を、独自の構成で再構成した日本語要約です。

【用語解説】

• 表面弾性波：固体の表面近くに閉じ込められて伝わる弾性波。深さ方向には波長程度で振幅が減衰し、伝わる速さは表面付近の弾性率と密度、そして結晶方位で決まる。本研究ではこの速度の分布そのものが組織の像となる。
• 再結晶：冷間加工で蓄えられたひずみを駆動力として、ひずみのない新しい結晶粒が生じて成長し、加工組織が置き換わる現象。先行する回復、後続の粒成長とあわせて焼鈍の三段階をなす。
• 平均線分法：組織の像に直線を引き、その長さを結晶粒界と交わった回数で割ることで平均の粒径を求める方法。

表面弾性波の検出に使用された532 nmレーザー

　水中に漂う懸濁粒子の大きさ・形状・濃度は、堆積物の輸送や水質、生態系の健全性を左右することから、海洋光学の分野で重要な観測対象となっている。粒子は不定形の凝集体から明確な幾何形状のものまで多様であり、その形状は起源や挙動を反映する。吸収係数や体積散乱関数といった固有光学特性に加え、光が粒子で散乱される際に生じる偏光状態の変化にも粒子形状の情報が含まれており、能動・受動いずれの遠隔計測でも基礎的な課題とされている。また、送光系と受光系の像面を傾けて配置することで近距離から遠距離まで全域で焦点の合った像が得られるシャインプルーフ原理を用いれば、連続発振レーザーでも距離分解した散乱計測が行える。

　しかし、複雑な水試料や実際の水域を、現場あるいは実験室で迅速に偏光散乱計測できる装置が乏しく、粒子形状の違いを反映した偏光情報を高い時間・空間分解能で得ることが難しいという問題点がある。

　そこで、本研究では四方向の細線格子偏光子を画素ごとに集積した撮像素子を、シャインプルーフ配置の受光系に組み込むことによって解決した。0度、45度、90度、135度の偏光成分を一度に取得し、ストークス法によって偏光解消度およびQ成分・U成分を算出する。光源にはCobolt社製のCWレーザー（波長532 nm、出力約50 mW）を用い、消光比100対1以上、出力変動2%未満の直線偏光した光を水中へ照射して、後方散乱光に生じる偏光変化を測る役割を担わせた。球形および不定形の二酸化ケイ素粒子を用いた水槽実験では、偏光解消度が水のみで約0.1、球形粒子で約0.22、不定形粒子で約0.6と明確に分かれ、偏光解消度とU成分の組み合わせにより三者を良好に識別できた。

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【用語解説】

• シャインプルーフ原理：物体面・レンズ面・像面の延長が一直線上で交わるとき、斜めに置かれた物体面の全域に焦点が合うという結像条件。これを使うと、パルス光を用いずに連続発振レーザーでも光路に沿った距離分解計測ができる。
• 偏光解消度：直線偏光を入射したとき、後方散乱光のうち入射偏光と直交する成分の強度を、平行な成分の強度で割った値。粒子の形状が球から外れるほど大きくなる。
• ストークスパラメータ：光の強度と偏光状態を四つの成分で表す記述法。全強度に加え、二方向の直線偏光の差（Q成分）、45度傾いた直線偏光の差（U成分）、円偏光成分からなる。

偏光ライダーによる後方散乱計測に使用された532 nmレーザー

　薬物送達やmRNAワクチン、診断、水質監視など、液中のナノ材料を扱う技術が広がり、粒径や濃度を正確に把握することが安全性と品質の保証に不可欠である。この用途では、粒子のブラウン運動に伴う散乱光の強度ゆらぎから粒径を求める動的光散乱法（DLS）が標準である。一方、可干渉性の高い光が散乱体を通ると無数の散乱光が干渉し、斑点状の模様が生じる。これがレーザースペックルであり、光と媒質の相互作用で決まるため再現性があり、時間変化から媒質内部の微細な動きを読み取れる。

　しかし、DLSは単一散乱を前提に希薄で均一な分散を仮定するため、低濃度では散乱光が足りず感度が失われ、高濃度では多重散乱によって精度が落ちる問題点がある。さらに検出器を特定の角度へ置く必要があり、粒径への換算には温度や粘度、屈折率などの事前情報を要する。多重散乱下で使える拡散波分光法もあるが、試料形状や平均自由行程を別途決める必要があり、未知試料には向かない。

　そこで、本研究では多重光散乱をあえて最大化するレンズを用いない光学系を構成することによって、解決した。内面で光を繰り返し反射させるアルミニウム製の試料保持具を自作し、位相のそろわない光で試料全体を照らした。Cobolt社製の532 nmレーザー（Cobolt Samba）は、保持具へ直接入射させて多重散乱による干渉場をつくる光源として使用された。射出窓には結像光学系のないCMOSカメラを置き、スペックルの時系列を二次元ピアソン相関で解析した。その結果、直径200 nmの粒子を10⁵個/mLまで識別でき、DLSの検出限界より3〜4桁低い濃度を捉えた。濃度固定の条件では、検量式により100〜200 nmの粒径を95%予測区間±7 nm以内で決定できた。

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【用語解説】

• 動的光散乱法（DLS）：液中の粒子がブラウン運動する際に生じる散乱光の強度ゆらぎを測り、その時間相関の減衰から拡散係数を求め、ストークス・アインシュタインの式で粒径に換算する手法。温度・粘度・屈折率の値を前もって与える必要がある。
• レーザースペックル：可干渉性の高い光が粗面や散乱体で散乱されたとき、多数の散乱光が互いに干渉して生じる斑点状の明暗模様。媒質が動くと模様も時間とともに変化する。
• 拡散波分光法（DWS）：光が何度も散乱される濃い媒質に対し、光の伝わりを拡散として扱い、散乱光の時間相関から粒子の運動を解析する手法。試料形状や平均自由行程などの模型の値が必要となる。

レーザースペックル計測に使用された532 nmレーザー

　ムール貝の強力な接着機構に着想を得た生体模倣高分子は、独自の物理化学的特性から近年急速に研究が進められている。特に、ドーパミンの酸化重合により合成されるポリドーパミン（PDA）は、生体適合性、化学的安定性、容易な官能基修飾、および優れた基板接着性を有することから、機能性被膜、複合材料、光触媒、生体医工学、有機電子素子など幅広い応用が期待されている。PDAを用いた素子設計において膜厚は重要な制御因子であり、電気化学的重合法は印加電位によって成長を直接制御できるため、再現性の高い成膜と厚さ調整が可能である。

　しかし、PDAは電気絶縁体であるため、電気化学重合による成膜は自己制限的な厚さ上限（多くの報告で約20 nm）を示し、機械的堅牢性や曲げ剛性が要求される自立膜や光駆動アクチュエータへの応用が制約されるという問題があった。

　そこで本研究では、PDAの強い界面接着力を利用した転写・積層法を導入することにより、電気化学重合の厚さ限界を克服し、任意の厚さを持つ堅牢な自立膜の作製に成功した。X線反射率測定により、積層膜の厚さは単純な加算ではなく層間圧縮を伴うことが示されたが、ヤング率、複素屈折率、面内・面直熱伝導率などの示量的物性は厚さに依存せず均質であることが確認された。周波数領域熱反射率法における探査光源としてCobolt社製532 nmレーザーを用い、熱伝導率測定を行った。さらに、時間分解光駆動撮像法により、可逆的な水分収脱着に基づくミリ秒スケールの光駆動応答を定量化した。

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熱伝導率測定で使用された532nmレーザー

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　水性塗料の乾燥プロセスの研究は、塗料の性能や品質を最適化するために重要である。従来の乾燥時間の測定方法には、指で触れるテストや機械的な乾燥時間記録装置があり、これらは一部で標準化された手法として利用されている。また、MRI(磁気共鳴画像法)や動的光散乱（DLS）など、高精度で定量的な手法も存在する。特にMRIベースの手法は、精密で定量的なデータを提供する点で優れている。
また、乾燥過程における内部動態の観察には、透過性のあるサンプルに対して従来の光学的手法が有効である。動的光散乱（DLS）は、乾燥の進行を研究するための確立された方法であり、一般的なコーティング剤の乾燥段階を詳細に分析することができる​。

　しかし、これらの方法にはいくつかの問題点がある。まず、指で触れるテストや機械的な乾燥時間記録装置は、テスト条件や圧力の変動により結果が大きく異なる可能性があり、客観性や再現性に欠ける。また、MRIベースの手法は非常に高価であり、一般的に利用可能ではないという欠点がある​。
さらに、塗料の乾燥過程の内部動態を実験的に観察することは非常に難しい。塗料は通常不透明であるため、従来の光学的方法を用いることができず、また乾燥現象はさまざまな時間と長さのスケールに及ぶため、すべてのプロセスをカバーする手法が限られている​。

　そこで、本研究では、レーザースペックルイメージング（LSI）を使用し、不透明な水性ラテックス塗料の内部動態を微視的な解像度で明らかにする手法を提案している。この方法により、7桁の時間範囲にわたる動的プロセスを測定し、定量的かつ客観的に現実的な塗料の開放時間を測定することが可能となった。LSIを使用して、湿度や温度などの環境パラメータが開放時間に与える影響を体系的に調査し、その結果を拡散制限蒸発モデルを用いて解釈した​。
　また、この手法は、後期乾燥段階における膜形成の詳細な追跡も可能にし、相転移の発生を検出し、この現象がラテックス粒子の硬さなどの重要なパラメータに依存することを明らかにした。この方法により、ラテックス塗料の乾燥の重要な段階を高精度で時間刻印することができ、改良された水性塗料の合理的な設計に新たな手がかりを提供する​。

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スペックルイメージングに使用された532nmレーザー

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　金属円柱は鉄鋼業界において重要な製品であり、回転部品として広く使用されている。その表面品質は加工工程に大きな影響を与える。特に、製造過程で発生する表面微小亀裂は、その後の塑性加工中に拡大する恐れがあるため、非破壊検査技術が重要視されている。従来の非破壊検査方法として、磁粉探傷試験（MT）、浸透探傷試験（PT）、渦電流探傷試験（ECT）、および超音波探傷試験（UT）が一般的に使用されている。これらの技術は、それぞれの材料特性に応じて、亀裂の形状、位置、および深さを高精度で検出することができる。特に、UTは高い検出効率を持ち、工業自動化検査に広く利用されている。

　しかし、MTは強磁性材料の表面検出に限定されており、銅やアルミニウムなどの非強磁性材料には適用できない。PTは表面開放欠陥の検出に有効だが、化学汚染を引き起こしやすい。また、ECTは多様な金属や合金の導電性材料の欠陥検出に適しているが、欠陥の特性を信号から直接明らかにすることは難しく、後続の研削作業に対する技術的参考情報を提供できない。さらに、従来のUTは、ピエゾ電気素子を用いた超音波探傷技術が一般的だが、これは長距離での励起および検出が困難であり、時空間分解能が低い。

　そこで、本研究では、レーザー励起表面弾性波（SAW）を用いたレーザー超音波自動検出システムを構築し、金属円柱の表面微小亀裂を検出する方法を提案した。このシステムは、位相反転が完全に起こる角度を検出点として選び、信号の一貫性とモデルの精度を向上させることを目指している。Bスキャン画像を用いて微小亀裂の位置を視覚的に特定し、伝搬SAWの時間周波数解析を通じて、亀裂の深さを予測するモデルを確立した。特に、Cobolt社製の532 nm単一縦モードCWレーザー（Cobolt 05-01 Samba）を光源として使用し、表面の粗い金属円柱でも適用可能な高い信号対雑音比を実現した。また、実験結果に基づき、亀裂の絶対深度に基づく予測モデルを提案し、亀裂の方向が信号エネルギーに与える影響も考慮した。この方法により、金属円柱表面の微小亀裂の迅速な研削に対する参考情報を提供し、視覚化と高効率を兼ね備えた検出が可能となった。

※Bスキャン画像（B-scan image：超音波検査や他の非破壊検査技術において一般的に使用される用語です。Bスキャンは、特定の方向に沿った断面画像を生成する超音波画像の一形式をいう。

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表面弾性波に使用された532nmレーザー

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　LIDAR（Light Detection and Ranging）走査システムは、詳細で正確な3次元点群を提供し、精密な地形マッピングとモデリングを実現することから、近年急速に研究が進められている。高高度での運用需要の増加に伴い、必要な光子数を確保するためにアパーチャサイズを拡大する必要がある。従来のLIDARシステムでは、軸方向に回転するウェッジプリズムを使用して広い視野をカバーすることが一般的である。この方法では、システムの前方にスキャナーを配置することで収集光学系が簡素化され、大きなアパーチャの光学システムに適合する。しかし、この方法には回転バランスの維持が難しく、特に数度を超える角度では不安定になるという問題がある。この問題を解決するために、ホログラフィック光学素子（HOE）が代替の走査光学系として注目されている。HOEは、回転の対称モーメントを持ち、広い走査角度やアパーチャサイズにも対応でき、従来のウェッジプリズムに比べて安定性が高いことが特徴である。

　しかし、従来のウェッジプリズムベースのスキャナーでは、スキャン角度の増加に伴い、ウェッジ角度も大きくなるため、光学系の非対称性による回転安定性が損なわれる。これにより、大口径の非対称モーメントを安定させることが難しくなり、屈折光学系に大きなストレスがかかり、運用スキャン速度が制限される。また、ホログラムの記録には赤外線スペクトルの使用が不可欠であり、視覚的なフィードバックが得られないため、整列プロセスが困難になることも問題点である。

　そこで、本研究では、従来の屈折ウェッジベースのスキャナーに代わり、ホログラフィック光学素子（HOE）を走査コンポーネントとして使用することで、これらの問題を解決した。HOEは、屈折率の振動により位相変化を引き起こし、特定の角度で効率的に回折ビームを生成する。本研究では、GeigerモードのLIDARセンサーにHOEを実装し、対称モーメントを維持しながら広いスキャン角度に対応できることを示した。HOEの製造には、角度を分離した二つのビームを干渉させて線形フリンジパターンを生成する方法を採用し、視覚フィードバックを提供するために532nmのレーザーを使用した。ホログラムは1064nmの動作波長に適応するように調整され、最終的なポリッシュ工程により、接着されたHOEの両外面を平坦化し、透過波面誤差を大幅に改善した。これにより、λ/12.7 RMSの波面誤差と70%の回折効率が達成された。実際の運用では、HOEを使用したLIDARシステムが高度13,000フィートでの地形スキャンに成功し、横方向の空間解像度が最大50ポイント/メートル、垂直方向の解像度が10cmであることが確認された。これにより、高品質の3Dポイントクラウドが生成され、ユーザーに必要な地形情報が提供された。

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ホログラフィーに使用された532nmレーザー

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Takeo Sasaki, Takaaki Yagami, Toshinobu Takashi, Kaita Suzuki, Gouta Ikeda, Yukihiro Ishii, Khoa Van Le, Yumiko Naka, “Photorefractive flexoelectric liquid crystal mixtures and their application to laser ultrasonics,” Optical Materials Express, Vol. 13, No. 3, 1 Mar 2023, 728-738, https://doi.org/10.1364/OME.484412

　レーザー超音波検査は、材料の形状や内部構造を非接触で非破壊的に調査する優れた方法である。例えば、パルスレーザーがアルミニウム板などの材料を照射すると、表面で超音波が発生し、内部の空洞や反対の表面で反射される。この超音波振動を検出することで、材料の形状や内部欠陥を遠隔から特定することができる。光干渉計やレーザードップラー振動計が超音波検出に用いられるが、材料の表面が粗い場合、信号の感度と解像度が低下するという問題がある。そこで、二光束混合法を用いることで、フォトリフラクティブ効果が高感度な振動検出に期待されている。フォトリフラクティブ効果は、材料の明るい部分で正の電荷（ホールや正イオン）と負の電荷（電子や負イオン）が生成され、その移動度の違いにより、明るい部分が負に帯電し、暗い部分が正に帯電することで発生する。これにより、明暗間に空間電荷電場が形成され、電気光学効果により屈折率格子が生成される。

　しかし、従来のフォトリフラクティブ材料は、応答時間が数十ミリ秒から数百ミリ秒と遅く、高速な計測性能が求められる環境では適していない。また、高い電圧が必要であり、実用性が低い。

　そこで、本研究では、フレクソエレクトリック液晶（PR-flex LC）を用いて、非接触のレーザー超音波計測システムを構築した。PR-flex LCは、外部電場が印加されるとバルク分極を示し、迅速に応答する特性を持つ。本研究では、PR-flex LCの二光束混合実験により、1400 cm^-1のゲイン係数と960マイクロ秒の応答時間を測定した。これにより、振動環境でも影響を受けにくい高精度な非接触超音波計測が可能となった。実験では、アルミニウム板の厚さや内部構造をレーザー超音波を用いて測定し、測定結果は実際の厚さと良好に一致した。また、キャビティを持つアルミニウム板を用いた実験では、キャビティの形状を高精度に測定できることを示した。これにより、レーザー超音波計測の感度が大幅に向上し、工業環境における振動の影響を受けずに高速な検出が可能となった。

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レーザー超音波で使用された473nmレーザー

　光が不透明な物質を通過する際に生じる散乱現象を利用して、遮蔽物の背後にある物体を可視化する散乱媒体越しの光学イメージングは、生体組織の内部観察や悪天候下での視認性向上といった観点から極めて重要な技術である。この手法において中核を成す位相回復アルゴリズムは、光の干渉によって生じる不規則な粒状模様であるスペックル画像から物体の情報を抽出し、計算によって元の像を再構築する数学的な枠組みである。特に、一回の露光で情報を取得する単一撮影（シングルショット）方式は、動的な現象の観察に適しており、極めて高い実用性を有する。これまでの研究では、再構築画像の品質を高めるために、計算の過程で画像の滑らかさを調整するガウス分布を用いた平滑化処理や、背景雑音を除去するための閾値制御を導入する手法が提案されてきた。これにより、散乱の影響を強く受けた複雑な対象物であっても、鮮明な画像を復元することが可能となっている。また、この手法は対象物の形状を事前に定義することなく、散乱光の自己相関を利用することで像を導き出すため、未知の対象に対する広範な応用が期待される。

　しかし、従来の位相回復アルゴリズムにおいては、平滑化の度合いを決める標準偏差や背景除去の閾値といった制御変数の初期値を、対象物の事前の知見や人間の試行錯誤に基づいて手動で設定する必要がある。これは、未知の物体を観測する実用的な場面では極めて困難であり、また露光時間や光源、光学系の配置といった撮影条件がわずかに変化するだけで最適値が変動してしまうため、自動化や安定性の面で大きな課題が存在する。

　そこで、本研究では生物の群れが最適な場所を探索する挙動を模した計算手法である粒子群最適化（PSO）を導入し、事前の情報なしに最適な制御変数を自動的に算出する手法を開発することで、問題を解決した。実験では、照明光源としてCobolt社製の532nmレーザーを使用し、特定の文字パターンを照射して散乱光を取得した。このPSOを用いた手法は、従来の手動調整に比べて、特に情報の階調が細かい高精細な画像に対しても、迅速かつ正確に高品質な再構築が可能であることを実証した。この自動化により、人間による介入を排除した効率的な画像復元を実現した。

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粒子群最適化に使用された532nmレーザー

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