2018 Fiscal Year Research-status Report
Application of optical vortex spectroscopy to process plasma and development to new material creation
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18KK0079
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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) |
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)
矢澤 翔大 日本大学, 生産工学部, 助手 (10737951)
小林 弘和 高知工科大学, システム工学群, 准教授 (60622446)
戸田 泰則 北海道大学, 工学研究院, 教授 (00313106)
鹿野 豊 慶應義塾大学, 理工学研究科(矢上), 特任准教授 (80634691)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2023-03-31
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| Keywords | 光渦 / プラズマ分光 / プラズマプロセス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，光渦分光法をプロセスプラズマに適用することでプラズマの制御性を格段に向上させ，そのプラズマ源を材料開発に応用することである．2018年度は，ドイツ・ルール大学のCzarnetzki氏と光渦分光実験に関する議論を進めるとともに，デンマーク・デンマーク工科大のStamate氏とは平面型バリア放電電極によるプラズマ生成装置の開発を開始した．この新しいプラズマ源は，2021年度にデンマーク工科大学に移設し，プラズマ窒化の共同研究に用いることを計画している．一方，国内の共同研究者とも緊密に連携するとともに，定期的な研究会を開催し，光渦分光法開発の課題について集中的に議論を進めている．これまでの光渦ドップラー分光法の開発過程において，ビーム内に吸収率が負になる領域が観測されることが問題になっていた．一方で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．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で，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．また，光渦LIF法の予備実験を行うとともに，受光系に求められる空間分解能等の検討を行った．
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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
本研究課題の初年度として当初計画に従い，共同研究者間の情報交換と装置開発を中心に研究を進めた．国内の共同研究者間で緊密に連携して光渦吸収分光の実用化に向けた測定系の開発とそれに並行して光渦の波動伝播等の理論解析を進めている。測定系の開発としては，フーリエマスク吸収分光法の理論解析および光渦LIF法の予備実験を行っている．2020年度以降のドイツおよびデンマークにおける分光実験およびプラズマプロセス応用に向けた議論も開始しており，順調に研究計画を進めている．
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| Strategy for Future Research Activity |
「光渦吸収分光測定系の開発」2018年度は、数値シミュレーションにより光渦を用いたフーリエマスク吸収分光測定系の性能評価を行ってきた（荒巻、小林、鹿野、戸田）。その結果、光渦の基本モードのフーリエ成分を光学的にマスクすることで、吸収率の空間変化を高感度に測定可能なことが示された。2019年度は、前年度の数値シミュレーションの結果に基づき、日本大学にて光渦吸収分光測定系の光学設計および開発を行う（荒巻）。2020年度のドイツ移設を前提に、小型で堅牢な測定系の開発を目指す。また、フーリエマスク吸収分光で得られるスペクトルの評価法について理論的な検討を進めるとともに、吸収により構造が変化した光渦の伝搬におけるGouy位相変化の影響についても検討する（小林、鹿野、戸田）。
「光渦レーザー誘起蛍光測定系の開発」2018年度は、光渦をドップラーレーザー誘起蛍光法に用いて観測されるスペクトルの理論解析および予備実験を行った（吉村、寺坂）。その結果、光渦の方位角ドップラーシフトの効果を観測するには励起用レーザーとして高次の励起レーザーを用いるともに、スポットサイズの縮小が必要であることが明らかになっている。2019年度は、前年度の成果に基づき、励起用光渦光源のトポロジカルチャージを増加かせる改造を行うとともに、励起光の入射光学系および受光系の改良を行う（吉村、寺坂）。
「磁性体薄膜プロセスの予備調査」本研究課題で開発する基板へのイオン入射エネルギー測定法の応用例として、2022年にはデンマーク工科大学にてプラズマ窒化実験を行う。2019年度は、引き続き磁性体薄膜プロセスの予備調査を行う（矢澤）。
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| Causes of Carryover |
2019年度に波動伝播用コンピュータを購入するために予算を繰り越した．また，2019年度には国際ワークショップの開催も予定しており、そのための旅費としても一部予算を繰り越した。
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Research Products
(10 results)
