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Development of plasma flow measurement technique using topological light waves

Research Project

Project/Area Number 23K20834
Project/Area Number (Other) 21H01058 (2021-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2021-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
Research InstitutionNational Institute for Fusion Science

Principal Investigator

吉村 信次  核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (50311204)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 寺坂 健一郎  崇城大学, 情報学部, 准教授 (50597127)
荒巻 光利  日本大学, 生産工学部, 教授 (50335072)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,550,000 (Direct Cost: ¥13,500,000、Indirect Cost: ¥4,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2022: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Keywordsトポロジカル光波 / 光渦 / レーザー誘起蛍光法 / プラズマ / 流れ / レーザー計測
Outline of Research at the Start

本研究は,従来の平面波光の代わりにトポロジカル光波と呼ばれる特殊な光の一種である光渦ビームをその強度・位相分布を能動的に制御して用いることで,これまで原理的に測ることが不可能であったビームを垂直に横切るプラズマ(イオン)の流れ計測を実現することを目指している.これにより,磁化プラズマの境界面へのイオンの流入を装置配位に制限されることなく詳細に調べられるようになり,エッチング・薄膜形成といったプラズマ応用プロセスへの展開も期待される.

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、従来の平面波光を用いたレーザードップラー分光では原理的に不可能なレーザーの進行方向に垂直なイオン・中性粒子の流れ速度計測を、トポロジカル光波と呼ばれる特殊な光の一種である光渦(ラゲールガウスビーム)を用いたレーザー誘起蛍光(LIF)法によって実現することである。光渦がもつ螺旋状の等位相面のため、方位角方向の速度成分にもドップラー効果が働くことが理論的に示されており、実験による検証が進められている。
本年度は、昨年度に引き続き、方位角方向に強度の非対称性をもつ光渦(非対称光渦)ビームを用いたLIF法の検討を理論・実験の両面から行った。光渦ビームは、元となるガウスビームを空間光変調器に描画したホログラムへ入射して生成するが、入射位置を僅かにずらすことで強度分布を非対称化できる。
非対称光渦LIFスペクトルのシフトは、ビームを横切る流れの速さと流れの方向への光の位相勾配の積で与えられる。一方、実験で生成される非対称光渦の位相分布は、理論的に計算される理想的なものになるとは限らない。実際の非対称光渦LIF実験で得られるスペクトルのシフトから流れ速度を決定するためには、実験的に簡便な位相勾配測定法の開発が不可欠であった。これまでに、干渉や回折を利用して光渦のトポロジカルチャージを決定する様々な方法が提案されてきたが、その多くは専用の光路や光学素子を追加する必要があった。我々は、光渦を生成するホログラムの周囲をブレーズド回折格子に置き換えることで、実験に用いる光路上で平面波との干渉パターンを取得することに成功した。これにより、非対称光渦の位相勾配を決定することが可能となった。この成果について、学会・国際会議で報告した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度から、LIF計測に用いるビームを対称な光渦ビームから非対称光渦ビームへと転換する方針とした。これは、対称光渦ではビームを横切る流れの効果がスペクトル幅を広げるのに対して、非対称光渦ではスペクトルをシフトさせるため、より定量的な計測が可能となると判断したからである。一方、スペクトルのシフトから流速を決定するには、非対称光渦ビームの断面上の位相勾配が必要となる。今年度、この位相勾配を簡便に計測する方法の開発に成功した。これにより、来年度の実験では、非対称光渦LIFスペクトルのシフトからの定量的な流速決定が期待される。

Strategy for Future Research Activity

昨年度から、トポロジカルチャージ50の非対称光渦ビームを用いたLIFスペクトル計測実験を行い、トポロジカルチャージの符号によってシフトの方向が変化するという数値計算の予想と定性的に一致する結果が得られていたが、定量的評価を行うにあたり位相勾配の簡便な測定法が欠けていた。今年度の研究では、光渦生成に周囲をブレーズド回折格子にしたホログラムを使用することで、光学系に変更を加えることなしに位相勾配を測定することに成功した。今後は、高トポロジカルチャージの非対称光渦ビームを用いたLIF実験によって、世界初の非対称光渦ビームを用いたビームを横切る流れ速度の定量的計測を目指す。最終的には、ビームウエストでの強度分布を制御することで、単一光路での3次元速度ベクトル計測へと発展させたい。また、米国物理学会プラズマ物理分科会のポスター発表において、複数の研究者が非対称光渦LIF計測に対する興味を示していた。今後は、本研究を国際共同研究へと発展させていきたい。

Report

(3 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (28 results)

All 2024 2023 2022 2021 Other

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 11 results,  Invited: 3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Three-dimensional flow velocity determination using laser-induced fluorescence method with asymmetric optical vortex beams2024

    • Author(s)
      Terasaka Kenichiro、Yoshimura Shinji、Minagawa Hiroki、Aramaki Mitsutoshi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 14 Issue: 1 Pages: 2005-2005

    • DOI

      10.1038/s41598-024-52179-0

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Enhancement of Doppler spectroscopy to transverse direction by using optical vortex2023

    • Author(s)
      Minagawa Hiroki、Yoshimura Shinji、Terasaka Kenichiro、Aramaki Mitsutoshi
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 13 Issue: 1 Pages: 15400-15400

    • DOI

      10.1038/s41598-023-42517-z

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Analysis of Azimuthal Doppler Shift of Anisotropically Absorbed Laguerre-Gaussian Beam Propagating in Transverse Flow2022

    • Author(s)
      MINAGAWA Hiroki、YOSHIMURA Shinji、TERASAKA Kenichiro、ARAMAKI Mitsutoshi
    • Journal Title

      Plasma and Fusion Research

      Volume: 17 Issue: 0 Pages: 1401099-1401099

    • DOI

      10.1585/pfr.17.1401099

    • ISSN
      1880-6821
    • Year and Date
      2022-09-14
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Application of optical vortex to laser-induced fluorescence velocimetry of ions in a plasma2022

    • Author(s)
      Yoshimura Shinji、Terasaka Kenichiro、Aramaki Mitsutoshi
    • Journal Title

      Journal of Advanced Simulation in Science and Engineering

      Volume: 9 Issue: 1 Pages: 150-159

    • DOI

      10.15748/jasse.9.150

    • ISSN
      2188-5303
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Plasma-neutral coupling allows electrostatic ion cyclotron waves to propagate below ion cyclotron frequency2022

    • Author(s)
      Terasaka K.、Yoshimura S.
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 29 Issue: 2 Pages: 022103-022103

    • DOI

      10.1063/5.0078192

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Topological charge determination of optical vortex beams using forked hologram embedded in blazed grating2024

    • Author(s)
      Yoshimura Shinji、Terasaka Kenichiro、Minagawa Hiroki、Aramaki Mitsutoshi
    • Organizer
      ISPlasma2024 / IC-PLANTS2024 / APSPT-13
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Topological Charge and Phase Gradient Measurement for Optical Vortex Beams by Modifying Peripheral Region of Forked Grating on Spatial Light Modulator2023

    • Author(s)
      Yoshimura Shinji、Terasaka Kenichiro、Minagawa Hiroki、Aramaki Mitsutoshi
    • Organizer
      20th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Improvement Of Time Resolution In Optical Vortex Laser Absorption Spectroscopy Using Quadrant Photodiodes2023

    • Author(s)
      Minagawa Hiroki、Yoshimura Shinji、Terasaka Kenichiro、Aramaki Mitsutoshi
    • Organizer
      20th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Asymmetric optical vortex laser-induced fluorescence (aOVLIF) method2023

    • Author(s)
      Yoshimura Shinji、Terasaka Kenichiro、Minagawa Hiroki、Aramaki Mitsutoshi
    • Organizer
      65th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Application of Azimuthal Doppler Shifts for Transverse Flow Velocity Measurements2023

    • Author(s)
      Aramaki Mitsutoshi、Minagawa Hiroki、Terasaka Kenichiro、Yoshimura Shinji
    • Organizer
      65th Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Exploiting laser-induced fluorescence method with a single optical path to multidimensional flow-velocity measurements2023

    • Author(s)
      Yoshimura Shinji、Terasaka Kenichiro、Minagawa Hiroki、Aramaki Mitsutoshi
    • Organizer
      7th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 単一光路レーザー誘起蛍光法による3次元流れ速度ベクトルの決定2023

    • Author(s)
      吉村信次、寺坂健一郎、皆川裕貴、荒巻光利
    • Organizer
      第40回 プラズマ・核融合学会 年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] 非対称光渦を用いた中性粒子流のLIF計測2023

    • Author(s)
      寺坂健一郎、吉村信次、皆川裕貴、荒巻光利
    • Organizer
      第40回 プラズマ・核融合学会 年会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Laser-induced fluorescence method using asymmetric optical vortex beams2023

    • Author(s)
      S. Yoshimura, K. Terasaka, H. Minagawa, M. Aramaki
    • Organizer
      15th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials / 16th International Conference on Plasma-Nano Technology & Science
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 非対称な光渦を用いたレーザー誘起蛍光ドップラー分光における積分効果2023

    • Author(s)
      寺坂健一郎,吉村信次,皆川裕貴,荒巻光利
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 高トポロジカルチャージの非対称光渦ビームを用いたLIFスペクトル計測2023

    • Author(s)
      吉村信次,寺坂健一郎,皆川裕貴,荒巻光利
    • Organizer
      日本物理学会2023年春季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 非対称な強度分布をもつラゲールガウスビームを用いた光渦LIF スペクトル計測2022

    • Author(s)
      吉村信次,寺坂健一郎,皆川裕貴,荒巻光利
    • Organizer
      日本物理学会2022年秋季大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 非対称光渦を用いたレーザー誘起蛍光法2022

    • Author(s)
      吉村信次,寺坂健一郎,皆川裕貴,荒巻光利
    • Organizer
      プラズマ・核融合学会第39回年会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Laser-induced fluorescence spectrum measurement using optical vortex beams2022

    • Author(s)
      S. Yoshimura. K. Terasaka, M. Aramaki
    • Organizer
      14th International Symposium on Advanced Plasma Science and its Applications for Nitrides and Nanomaterials / 15th International Conference on Plasma-Nano Technology and Science
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 光渦を用いた境界領域のイオン流計測2022

    • Author(s)
      吉村信次,寺坂健一郎,荒巻光利
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 光渦LIFの原理実証に向けたビームモード・形状の検討2022

    • Author(s)
      寺坂健一郎,吉村信次,荒巻光利
    • Organizer
      日本物理学会第77回年次大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Application of optical vortex to laser-induced fluorescence velocimetry of ions in a plasma2021

    • Author(s)
      S. Yoshimura, K. Terasaka, M. Aramaki
    • Organizer
      40th JSST Annual International Conference on Simulation Technology (JSST 2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Optical vortex laser-induced fluorescence measurement using an l = 10 Laguerre-Gaussian beam2021

    • Author(s)
      S. Yoshimura. K. Terasaka, M. Aramaki
    • Organizer
      74th Annual Gaseous Electronics Conference (GEC2021)
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      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Laser-induced fluorescence spectroscopy with optical vortex beam in a partially ionized plasma2021

    • Author(s)
      K. Terasaka, S. Yoshimura, and M. Aramaki
    • Organizer
      5th Asia Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] レーザー誘起蛍光法によるプラズマ流計測の光渦による展開2021

    • Author(s)
      吉村信次
    • Organizer
      第37回九州・山口プラズマ研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] シンポジウム「光の空間構造を利用したプラズマの先進計測へ向けて」-趣旨説明2021

    • Author(s)
      吉村信次
    • Organizer
      プラズマ・核融合学会第38回年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] レーザー誘起蛍光ドップラー分光法への光渦の活用とプラズマ流れ計測2021

    • Author(s)
      寺坂健一郎
    • Organizer
      プラズマ・核融合学会第38回年会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Remarks] ねじれた光で流れを測る - レーザー計測の新たな可能性を拓く -

    • URL

      https://www.nifs.ac.jp/news/collabo/231013.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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