2021 Fiscal Year Research-status Report
Optimization of femtosecond laser induced gas-phase plasma reaction using machine learning
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21K03521
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
松田 晃孝 名古屋大学, 理学研究科, 講師 (10413999)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 強レーザー場 / レーザーフィラメント / レーザー誘起プラズマ / 反応制御 / 機械学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フェムト秒レーザー誘起気相プラズマ反応の最適制御を目指し，（１）高強度フェムト秒レーザー光のパルス波形を任意に整形するための装置の設計および製作，（２）レーザーパルス波形整形装置，質量分析計と連携して反応の最適制御を行う機械学習ソフトウェアの開発，（３）反応制御の対象とする分子系に関する予備実験を進めた。
（１）フェムト秒レーザーパルス波形整形装置の構築：波長分散素子，液晶空間光位相変調器，円筒レンズおよびステアリングミラーから構成される波形整形装置の設計，製作を行った。チタンサファイアレーザー再生増幅器から出力されるフェムト秒レーザーパルス光を実際に構築した装置に導入し，スペクトル位相・強度測定解析装置を用いて位相変調されたレーザーパルス光の評価を行い，装置が適切に動作することを確認した。
（２）機械学習ソフトウェアの開発：波形整形装置を用いたレーザーパルス波形による反応最適化においては，波長成分ごとの位相変調量を遺伝情報と見なせることから，遺伝的アルゴリズムが有効である。そこで，遺伝的アルゴリズムに基づいた機械学習ソフトウェアの開発を進め，シミュレーション実験において位相変調量が最適化されることを確認した。
（３）反応制御を行う分子系の選定：反応制御を行う分子系の候補として，メタン/酸素混合系を対象とした予備実験を行った。メタンは二酸化炭素に次ぐ地球温暖化の原因物質であると同時に排出源が豊富であるため，転換技術に関する研究が進められ，プラズマを用いた直接改質が近年注目を集めている。レーザー誘起プラズマ反応生成物の質量分析を行ったところ，液体燃料として有用な含酸素化合物を含め，複数の化合物が確認され，反応最適化の研究における有用な候補の１つであることが確認された。
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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
レーザー誘起気相プラズマ反応の最適制御に向けて，フェムト秒レーザーパルス波形整形装置を新たに構築し，実際に位相変調を与えたレーザーパルスを用いて装置の評価を行った。これに加え，遺伝的アルゴリズムに基づく機械学習ソフトウェアの開発を進め，シミュレーション実験において波形最適化が行えることを確認した。また，最適制御を行う分子系の候補として新たにメタン/酸素混合系を対象とした実験を行い，有益な反応系となることを確認した。これらのことから，研究全体として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 |
新たに開発を行ったフェムト秒レーザーパルス波形整形装置および機械学習ソフトウェアと，気相プラズマ反応の生成物を分析する質量分析計を連携させ，炭化水素分子/酸素混合系を対象に特定の分子の生成量が最大となるように位相変調量をフィードバック制御し，プラズマ反応の最適制御を目指すとともに，最適化されたレーザー波形において着目分子の生成が極大となる要因の検討を行う。
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| Causes of Carryover |
研究費の効率的な執行により未使用額が生じた。次年度以降，実験に用いる試料ガスの購入に使用する。
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Research Products
(5 results)
