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高気圧プラズマ密度高精度計測のための高調波干渉計の高速化・モジュール化

研究課題

研究課題/領域番号 16H03897
研究種目

基盤研究(B)

配分区分補助金
応募区分一般
研究分野 プラズマエレクトロニクス
研究機関核融合科学研究所

研究代表者

秋山 毅志  核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (80370138)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
研究課題ステータス 中途終了 (2018年度)
配分額 *注記
16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円)
2018年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2017年度: 7,930千円 (直接経費: 6,100千円、間接経費: 1,830千円)
2016年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円)
キーワード高調波干渉計 / 二倍高調波 / 大気圧プラズマ / プラズマ / 電子密度 / 非線形結晶 / 非線形光学結晶 / 非線形光学素子
研究実績の概要

高調波干渉計のモジュール化には、水冷が不要で運搬も可能な小型空冷レーザーが不可欠である。平成29年度は、基本的な発振試験を終えた2 W出力の小型空冷CO2レーザーで高調波干渉計を構成し、計測上問題となるノイズ等の有無を検証した。
まず、2 W出力の小型空冷CO2レーザーと特性が既知であるAgGaSe2結晶の組み合わせ、高調波干渉計の性能試験を行った。レーザー発振の不安定性や多モード発振などにより、レーザー周波数に特徴的なノイズが重畳する場合があり、その場合干渉計で計測される移送信号にノイズとなって現れる。特に水冷と比較して冷却能力が低い空冷の場合、小型で可搬となる利点の一方で、発振の不安定性や発振モードの遷移が発生することが危惧された。
高調波干渉計を構成し、位相計測の結果、小型空冷レーザーでも干渉計を行う上で問題となるノイズ等が無いことを確認し、高調波干渉計の光源として使用できることを示した。得られた分解能は高出力・周波数安定化レーザーを光源とした高調波干渉計と同程度であった。線平均電子密度の分解能は、1.2×10^16 m^(-2)であり、大気圧プラズマの幅を1 mm幅と仮定した場合は1.2×10^19 m^(-2)であった。時間分解は使用しているロックインアンプの時定数で決まり、20マイクロ秒であった。現在、高効率非線形結晶OP-GaAsを用いて二倍高調波を発生させ、高調波干渉計の高精度化を図る準備を進めている。
以上、小型空冷レーザーを高調波干渉計の光源として利用できるという確証から、小型空冷レーザーを用いた光学系の設計を進めた。全体重量やサイズを勘案し、小型の2つのモジュールで構成する可搬型高調波干渉計を設計した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

他の計測では、使用した光源と類似の高周波励起CO2レーザーで、数十~数百 kHzの発振ノイズが報告されていたが、今回の性能評価では問題となるノイズは観測されなかった。高調波干渉計は、干渉させる2光束がほぼ同一光路を通るため、仮に発振ノイズが重畳していたとしても、干渉によってキャンセルされている可能性がある。以前開発した高出力・周波数安定化レーザーを用いた高調波干渉計と比較し、冷却能力が低いことで生じるレーザー発振の不安定性により、密度分解能が悪くなることが懸念されたが、概ね同程度の分解能が得られた。今回は二倍高調波発生効率が低い非線形光学結晶での結果であり、計画している高効率の結晶を用いることにより、より高い分解能の計測となることが期待される。

今後の研究の推進方策

平成30年度は、非線形光学結晶を銀ガリウムセレンから、二倍高調波発生効率が高い周期分極反転構造を持つガリウムヒ素に入れ替えた光学系で、電子密度分解能の向上を図る。
更に、もう1つの題目として現在光学設計を進めている、音響光学素子を用いた高速化を進める。現在は駆動周波数50 kHzの光弾性変調器を利用しているが、高速化のために駆動周波数が100 MHzの音響光学素子を用いる。変調周波数を高めることにより、時間分解能の上限値がマイクロ秒以下とすることが可能になる。一方、課題は変調を与えた二倍高調波と基本波の光軸を精密に合わせることであり、中性ガスや機械振動による位相変化のキャンセルの度合いが光軸の重なり具合によって決まるため、入念な調整が必要である。高効率のガリウムヒ素でも液晶等での可視化は困難であるため、現在高感度検出器を用いた調整を予定している。100 MHzのビート信号は、1 GHzでサンプリングし、PCでのディジタル信号処理によって位相抽出を行う。また、もう1つの位相抽出方法として、ディジタル信号処理をFPGAで実施し、電子密度をリアルタイムで確認できるようにすることも計画している。これは、大気圧プラズマのパラメータスキャンなどの実験に大きく貢献できる特長となる。

報告書

(2件)
  • 2017 実績報告書
  • 2016 実績報告書
  • 研究成果

    (5件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Design of compact dispersion interferometer with a high efficiency nonlinear crystal and a low power CO2 laser2017

    • 著者名/発表者名
      Akiyama T.、Yoshimura S.、Tomita K.、Shirai N.、Murakami T.、Urabe K.
    • 雑誌名

      Journal of Instrumentation

      巻: 12 号: 12 ページ: C12028-C12028

    • DOI

      10.1088/1748-0221/12/12/c12028

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] 高調波干渉計の進展と今後の展開2017

    • 著者名/発表者名
      秋山毅志
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会 第36回年次大会
    • 発表場所
      徳島大学常三島キャンパス
    • 年月日
      2017-01-07
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Design of compact dispersion interferometer with a high efficiency nonlinear crystal and a low power CO2 laser2017

    • 著者名/発表者名
      T. Akiyama, S. Yoshimura, K. Tomita, N. Shirai, T. Murakami and K. Urabee
    • 学会等名
      17th International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Compact dispersion interferometer with a high efficiency nonlinear crystal for atmosperic pressure plasma2017

    • 著者名/発表者名
      T. Akiyama
    • 学会等名
      26th International Toki conference
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 電子密度計測用 高調波干渉計の今後の展開2016

    • 著者名/発表者名
      秋山毅志
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ
    • 年月日
      2016-09-13
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書

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公開日: 2016-04-21   更新日: 2024-08-27  

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