2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of real-time measurement method of velocity distribution function using velocity-space tomography
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17K18771
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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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2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 光渦 / トモグラフィー / プラズマ分光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光渦は中心に位相特異点を持ち等位相面がらせん状に捻じれた電磁波である．ビーム断面内において等位相面の勾配は大きさが位相特異点からの距離に反比例し，向きは方位角に依存して変化する．この位相勾配の変化にともない，光渦は断面内の位置ごとに異なる速度空間の領域の粒子と相互作用する．この特徴をドップラー吸収分光に利用して，速度空間における粒子密度分布を一度に測定するのが本研究課題の目的である．波長掃引を行わずに速度空間内の分布を観測できるため，リアルタイムに速度空間における粒子分布を観測することができる．この新しい測定法はビーム内の位置による励起体積の変化に依存しており，位相特異点近傍の不均一な吸収によって形成された光渦の欠陥構造を高空間分解測定する必要がある．欠陥構造を持つ光渦の伝播に関する光学分野の先行研究において，伝播に伴うGouy位相変化で欠陥構造が回転することが報告されている．同様の効果が光渦の吸収分光に与える影響について数値計算を行い，伝播による吸収率分布の変形を確認した．伝播による吸収率分布の変形を避けるため新たに4f光学系を開発して測定系に導入することで，理論的な予想に近い吸収率分布が実験的に得られ，負の吸収率も観測されなくなった．これにより，これまで問題となっていた負の吸収率がGouy位相変化によって作り出されていたものであることが明らかとなった．測定系の改良に加え，光渦とフーリエ光学を組み合わせた生かした新たな試みとして，吸収によって生成される高次の空間構造のみを取り出すことにより，吸収分光の感度を格段に向上させる方法に関する理論解析も進めている．
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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
光渦による速度空間トモグラフィーを実現するには，不均一に吸収された光渦の空間構造をいかに変形させずに観測するかが重要な課題であることが明らかとなり，今年度は4f光学系による受光系の改良を行った．光渦分光法の開発には，従来のプラズマ分光とは全く異なる技術が要求されており，そのノウハウを着実に蓄積している．微小な欠陥構造を正確に観測するには，数値計算や理論計算を含めてさらに詳細な波動伝播の解析が必要になると考えられる．いまだに原因が解明できていない問題もあり，現時点の進捗状況を判断するのは難しいが，一旦観測理論が確立すればその後の解析は問題なく進められると予想しているため，全体としてはおおむね順調に進んでいると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの予備実験により，4f光学系を観測系に導入することで，Gouy位相変化が原因と考えられる吸収率分布の歪みは抑えられることが明らかになったが，回折格子のような周期構造に関しては位相特異点近傍で像の歪みが依然として観測されている．この周期構造が歪む原因はこれまでのところ明らかになっていない．光渦による速度空間トモグラフィーの実現に向けて，今年度は数値計算や理論計算を含めてさらに詳細な波動伝播の解析を進める．また，レーザー波長を固定した状態でガス流を制御し，吸収率分布の変化を実験的に観測するとともに，理論的な解析を進める。
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| Causes of Carryover |
本測定法の実証実験に適した高流速・高密度プラズマ源を開発するために予算を繰り越した．また，これまでは中性原子の流れ計測を対象として開発を行ってきたが，プラズマ応用分野への展開を目指し，イオン流速測定に必要な光源を購入することも計画している．
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Research Products
(8 results)
