2017 Fiscal Year Annual Research Report
Fast and moduled dispersion interferometer for precise electron density measurement of atmospheric pressure plasmas
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16H03897
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
秋山 毅志 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80370138)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | プラズマ / 電子密度 / 二倍高調波 / 非線形結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高調波干渉計のモジュール化には、水冷が不要で運搬も可能な小型空冷レーザーが不可欠である。平成29年度は、基本的な発振試験を終えた2 W出力の小型空冷CO2レーザーで高調波干渉計を構成し、計測上問題となるノイズ等の有無を検証した。
まず、2 W出力の小型空冷CO2レーザーと特性が既知であるAgGaSe2結晶の組み合わせ、高調波干渉計の性能試験を行った。レーザー発振の不安定性や多モード発振などにより、レーザー周波数に特徴的なノイズが重畳する場合があり、その場合干渉計で計測される移送信号にノイズとなって現れる。特に水冷と比較して冷却能力が低い空冷の場合、小型で可搬となる利点の一方で、発振の不安定性や発振モードの遷移が発生することが危惧された。
高調波干渉計を構成し、位相計測の結果、小型空冷レーザーでも干渉計を行う上で問題となるノイズ等が無いことを確認し、高調波干渉計の光源として使用できることを示した。得られた分解能は高出力・周波数安定化レーザーを光源とした高調波干渉計と同程度であった。線平均電子密度の分解能は、1.2×10^16 m^(-2)であり、大気圧プラズマの幅を1 mm幅と仮定した場合は1.2×10^19 m^(-2)であった。時間分解は使用しているロックインアンプの時定数で決まり、20マイクロ秒であった。現在、高効率非線形結晶OP-GaAsを用いて二倍高調波を発生させ、高調波干渉計の高精度化を図る準備を進めている。
以上、小型空冷レーザーを高調波干渉計の光源として利用できるという確証から、小型空冷レーザーを用いた光学系の設計を進めた。全体重量やサイズを勘案し、小型の2つのモジュールで構成する可搬型高調波干渉計を設計した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
他の計測では、使用した光源と類似の高周波励起CO2レーザーで、数十～数百 kHzの発振ノイズが報告されていたが、今回の性能評価では問題となるノイズは観測されなかった。高調波干渉計は、干渉させる2光束がほぼ同一光路を通るため、仮に発振ノイズが重畳していたとしても、干渉によってキャンセルされている可能性がある。以前開発した高出力・周波数安定化レーザーを用いた高調波干渉計と比較し、冷却能力が低いことで生じるレーザー発振の不安定性により、密度分解能が悪くなることが懸念されたが、概ね同程度の分解能が得られた。今回は二倍高調波発生効率が低い非線形光学結晶での結果であり、計画している高効率の結晶を用いることにより、より高い分解能の計測となることが期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は、非線形光学結晶を銀ガリウムセレンから、二倍高調波発生効率が高い周期分極反転構造を持つガリウムヒ素に入れ替えた光学系で、電子密度分解能の向上を図る。
更に、もう1つの題目として現在光学設計を進めている、音響光学素子を用いた高速化を進める。現在は駆動周波数50 kHzの光弾性変調器を利用しているが、高速化のために駆動周波数が100 MHzの音響光学素子を用いる。変調周波数を高めることにより、時間分解能の上限値がマイクロ秒以下とすることが可能になる。一方、課題は変調を与えた二倍高調波と基本波の光軸を精密に合わせることであり、中性ガスや機械振動による位相変化のキャンセルの度合いが光軸の重なり具合によって決まるため、入念な調整が必要である。高効率のガリウムヒ素でも液晶等での可視化は困難であるため、現在高感度検出器を用いた調整を予定している。100 MHzのビート信号は、1 GHzでサンプリングし、PCでのディジタル信号処理によって位相抽出を行う。また、もう1つの位相抽出方法として、ディジタル信号処理をFPGAで実施し、電子密度をリアルタイムで確認できるようにすることも計画している。これは、大気圧プラズマのパラメータスキャンなどの実験に大きく貢献できる特長となる。
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