2023 Fiscal Year Annual Research Report
Development of plasma flow measurement technique using topological light waves
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21H01058
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
吉村 信次 核融合科学研究所, 研究部, 准教授 (50311204)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
寺坂 健一郎 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (50597127)
荒巻 光利 日本大学, 生産工学部, 教授 (50335072)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | トポロジカル光波 / 光渦 / プラズマ / レーザー誘起蛍光法 / 流れ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、従来の平面波光を用いたレーザードップラー分光では原理的に不可能なレーザーの進行方向に垂直なイオン・中性粒子の流れ速度計測を、トポロジカル光波と呼ばれる特殊な光の一種である光渦（ラゲールガウスビーム）を用いたレーザー誘起蛍光（LIF）法によって実現することである。光渦がもつ螺旋状の等位相面のため、方位角方向の速度成分にもドップラー効果が働くことが理論的に示されており、実験による検証が進められている。
本年度は、昨年度に引き続き、方位角方向に強度の非対称性をもつ光渦（非対称光渦）ビームを用いたLIF法の検討を理論・実験の両面から行った。光渦ビームは、元となるガウスビームを空間光変調器に描画したホログラムへ入射して生成するが、入射位置を僅かにずらすことで強度分布を非対称化できる。
非対称光渦LIFスペクトルのシフトは、ビームを横切る流れの速さと流れの方向への光の位相勾配の積で与えられる。一方、実験で生成される非対称光渦の位相分布は、理論的に計算される理想的なものになるとは限らない。実際の非対称光渦LIF実験で得られるスペクトルのシフトから流れ速度を決定するためには、実験的に簡便な位相勾配測定法の開発が不可欠であった。これまでに、干渉や回折を利用して光渦のトポロジカルチャージを決定する様々な方法が提案されてきたが、その多くは専用の光路や光学素子を追加する必要があった。我々は、光渦を生成するホログラムの周囲をブレーズド回折格子に置き換えることで、実験に用いる光路上で平面波との干渉パターンを取得することに成功した。これにより、非対称光渦の位相勾配を決定することが可能となった。この成果について、学会・国際会議で報告した。
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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
昨年度から、LIF計測に用いるビームを対称な光渦ビームから非対称光渦ビームへと転換する方針とした。これは、対称光渦ではビームを横切る流れの効果がスペクトル幅を広げるのに対して、非対称光渦ではスペクトルをシフトさせるため、より定量的な計測が可能となると判断したからである。一方、スペクトルのシフトから流速を決定するには、非対称光渦ビームの断面上の位相勾配が必要となる。今年度、この位相勾配を簡便に計測する方法の開発に成功した。これにより、来年度の実験では、非対称光渦LIFスペクトルのシフトからの定量的な流速決定が期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度から、トポロジカルチャージ50の非対称光渦ビームを用いたLIFスペクトル計測実験を行い、トポロジカルチャージの符号によってシフトの方向が変化するという数値計算の予想と定性的に一致する結果が得られていたが、定量的評価を行うにあたり位相勾配の簡便な測定法が欠けていた。今年度の研究では、光渦生成に周囲をブレーズド回折格子にしたホログラムを使用することで、光学系に変更を加えることなしに位相勾配を測定することに成功した。今後は、高トポロジカルチャージの非対称光渦ビームを用いたLIF実験によって、世界初の非対称光渦ビームを用いたビームを横切る流れ速度の定量的計測を目指す。最終的には、ビームウエストでの強度分布を制御することで、単一光路での3次元速度ベクトル計測へと発展させたい。また、米国物理学会プラズマ物理分科会のポスター発表において、複数の研究者が非対称光渦LIF計測に対する興味を示していた。今後は、本研究を国際共同研究へと発展させていきたい。
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