2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of optical vortex spectroscopy and its application to measurement of traverse gas flow
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17H03000
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
荒巻 光利 日本大学, 生産工学部, 教授 (50335072)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北野 勝久 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (20379118)
吉村 信次 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (50311204)
寺坂 健一郎 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (50597127)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光渦 / レーザー分光 / プラズマ分光 / ラゲール・ガウシアン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
初年度は，光渦分光法の実用化に向けて，現有の実験系全般の高安定化および低ノイズ化のための改造を行った．現有のシステムでは，光源に外部共振器型半導体レーザー（ECDL）（TOPTICA社製DL-100 697nm）を用いてアルゴンプラズマ中の準安定アルゴン原子を吸収分光法により測定している．ECDLの出力を偏光保持ファイバに導入することでビームの空間モードを整える．ファイバからの出力を空間位相変調器（SLM）に表示したホログラムに照射し，干渉を利用することで光渦に変換して測定に用いる．今年度，光源をDL-100からTOPTICA社製 DLproに変更することで，波長掃引時のパワーおよび波長の安定性を向上させるとともに，レーザーパワーも10mWから30mWに増強した．光渦分光では，ビーム中央の位相特異点から数十μm程度の領域での吸収特性が重要となるため，ビームの位置を不安定化する実験室内の空気揺らぎを抑える必要がある．このため，光路全体をケースにおさめて実験室内の空気の揺らぎから実験系を切り離し，ビーム位置の揺らぎを数μm程度にまで抑制した．また，光渦生成に用いているSLMは反射光の位相変化が校正された液晶ディスプレイであるため，液晶のリフレッシュに対応した位相ノイズが光渦に重畳されている．今年度の実験では，位相ノイズを十分平均化するため，ビーム画像を記録しているカメラの露光時間を0.5秒以上とした．以上の測定系の改良を行った後，流速を校正したガス流を用いた横方向流れ測定の実証実験を行った．ガス流に対して垂直方向から光渦レーザーを導入し，2次元ドップラー吸収分光測定を行った．光渦のドップラーシフトが位相特異点からの距離に反比例するとともに，トポロジカルチャージの符号を反転させることで空間分布が反転することが確認されており，定性的には理論の予想と一致する結果が得られた．
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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
初年度は，当初の予定通り実験系全般の高安定化および低ノイズ化を行った．改良した測定系を用いて原理検証実験を行い，定性的には理論の予想と一致する結果が得られている．一方で，観測された横方向ドップラーシフトは理論で期待される値の5倍程度の大きさとなっており，その原因の解明が課題となっている．SLMで生成した光渦に重畳されている位相ノイズによるビーム位置の揺らぎの影響を確認するため，q-plateを用いて位相ノイズを含まない光渦光源を開発している．また，光渦の局所的な吸収を正確に画像計測するための光学系の設計も進めており，次年度以降の研究に向けた準備も順調に進んでいる．
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| Strategy for Future Research Activity |
横方向ドップラーシフトの大きさが，定量的に理論と合わないことの原因解明が今後の研究における優先課題である．これまでの光渦吸収分光法開発により，プラズマ中で不均一に吸収された光渦が伝播に伴いその構造を変化させてしまうことで測定に悪影響を与えていることが明らかになってきている．今後は，吸収分光の測定系に4f光学系を導入し，撮像面にプラズマ中でのビーム形状を転送することで，吸収の空間依存性を正確に評価し，流れ計測の精度向上を目指す．また，位相ノイズを含まない光渦光源を導入することで，位相特異点の位置揺らぎを抑え，測定精度のさらなる向上を目指す．これらの開発と並行して，光渦LIF法の開発や大気圧プラズマジェット中の準安定原子計測への応用等を進める．
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