| 研究課題/領域番号 |
15K05365
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| 研究機関 | 核融合科学研究所 |
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研究代表者 |
吉村 信次 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (50311204)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 光渦 / ラゲールガウスビーム / レーザー吸収分光 / 周方向ドップラーシフト |
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| 研究実績の概要 |
本研究は，近年多くの分野で注目されている軌道角運動量をもつ伝播モードの光である“光渦”（ラゲールガウスビーム）を用いたプラズマ中のイオン・中性粒子の流れ計測の原理実証および簡便な利用技術の確立を目的としている．今年度は，光渦レーザーの整備を行い，原理実証実験を開始した．波長可変の外部共振器型半導体レーザーを光源として，空間光位相変調器を用いたホログラム法により光渦を生成した．ホログラムパターンを最適化することで，レーザー吸収分光実験に使用できる品質の光渦の生成に成功した．光渦に特徴的な周（方位角）方向のドップラー効果を観測するために，核融合科学研究所のHYPER-I装置で生成した電子サイクロトロン共鳴プラズマ中のアルゴン中性粒子の準安定状態を対象としたレーザー吸収分光実験を行った．計測にはビームプロファイラを用い，レーザー波長を変化させながら透過光強度の二次元分布を取得した．周方向ドップラー効果は強度の弱い光渦の中心付近で大きくなるため，ビームの中心付近（半径0.25mm）を計測できるようゲイン調整を行った．取得した1100枚の二次元分布から吸収スペクトルを再構成し，通常の平面波ビームを用いた場合のスペクトルと比較することで周方向ドップラーシフトを評価した．初期結果として，光渦の周方向ドップラーシフトに対して予想されるシフト量変化の空間依存性が定性的に確認された．一方、シフトの絶対値は理論から予想されるものよりかなり大きいものであった．この理由としては，ビーム径の広がりによるシフト量の過大評価や正確な周波数基準がないことによる誤差が考えられる．これらの改善による周方向ドップラーシフトの定量的評価が次年度の課題である．
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| 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
プラズマ計測用の光渦光源というものはこれまで開発されていなかったため，初年度は光源の開発から研究を開始した．波長・トポロジカルチャージ可変な光渦光源が必要であったため，波長可変外部共振器型半導体レーザーとホログラムを描画できる空間光位相変調器を用いた光渦生成実験を行った．ホログラムパターンの階調を最適化することで，プラズマのレーザー吸収分光実験に使用可能な光渦を生成することに成功した．実際にプラズマ中の準安定アルゴン中性粒子を対象とした光渦レーザー吸収分光実験を行い，吸収スペクトルのシフト量の空間依存性を調べた．アルゴン中性粒子の流速は遅いため，有意な結果が得られない可能性もあったが，シフト量の空間依存性において光渦の周方向ドップラーシフトと定性的に一致する結果が得られた．以上より，研究はおおむね順調に進展しているといえる．
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| 今後の研究の推進方策 |
平成27年度の研究で，光渦の周方向ドップラーシフトと定性的に一致する結果が得られている．平成28年度は，小型のRFプラズマ源を用いた飽和吸収分光システムを光学系に組み込むことで正確な周波数基準とし，また光渦ビーム径の伝搬に伴う広がり等を評価することで，定量的なシフト量計測を目指す．確実な原理実証のために，HYPER-I装置上部にラバールノズル付きのガスパフシステムを整備し，実際の高速中性粒子流計測を行うことを計画している．また，これまで空間光位相変調器を用いたトポロジカルチャージ制御を行ってきたが，平成28年度からはq-plateのようなシンプルな光学素子を用いた光渦生成にも挑戦する．損傷閾値が空間光位相変調器より2桁程度高いため，将来の高パワー光渦レーザー実験に対して有効な生成法の一つになると考えられる．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
次年度使用額が生じた理由は，ガスパフシステムによる高速中性粒子流を生成しない実験でも光渦の周方向ドップラーシフトと考えられるシフト量の空間依存性が観測されたため，ガスパフシステムの開発を来年度へ先送りしたためである．従って，研究計画の大幅な変更によるものではない．
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| 次年度使用額の使用計画 |
光渦の周方向ドップラーシフトの定量的評価のためには，やはり高速中性粒子流が必要であるため，残額はガスパフシステムの開発に使用する計画である．
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