| 研究課題/領域番号 |
18K03579
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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) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 光渦 / レーザー誘起蛍光法 / プラズマ / 流れ / レーザー計測 |
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| 研究実績の概要 |
光渦とは、通常の平面波と異なりらせん状にねじれた等位相面をもつ光である。本研究では、近年多くの分野で注目されている光渦レーザーの特異な位相空間構造を利用した光渦レーザー誘起蛍光法を開発し、プラズマ中の流れ計測に応用することを目的としている。具体的には、光渦中の原子が感じる方位角方向のドップラー効果を利用することで、平面波レーザーでは原理的に測定不能なレーザー光を横切る流れの検出を試みる。
今年度は、q-plateと呼ばれる光学素子（軸方位分割位相差板）を用いて平面波レーザー光をトポロジカルチャージ１の光渦へと変換し、九州大学のHYPER-II装置で生成される電子サイクロトロン共鳴プラズマ中のアルゴン準安定イオンを対象としたレーザー誘起蛍光計測実験を行った。誘起蛍光は高電子増倍管で受光し、ロックインアンプで検出した。レーザー周波数を掃引することで空間積分されたスペクトルが得られたが、結果として、平面波を用いた場合と光渦を用いた場合でスペクトル形状に有意な差は見られなかった。
この実験結果を解釈するために、スペクトル形状の数値計算を行った。簡単のため、光渦レーザーの強度分布は理想的なラゲールガウスビームのものを使用し、レーザー誘起蛍光の強度飽和の効果は取り込んでいない。数値計算の結果から、実験時のビーム半径50μmおよびトポロジカルチャージ１では、レーザー誘起蛍光スペクトルに対する方位角方向ドップラーシフトの寄与は無視できる程度に小さいことがわかった。また、ビーム半径をより絞り、高次のトポロジカルチャージをもつ光渦を使用することで、ビームを横切る亜音速程度のイオンの流れをスペクトル形状の変形から検出できる可能性が示された。
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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
昨年度までに行ってきた光渦レーザー吸収分光の光学系を一部変更することで、初年度から実際に光渦レーザーを用いたレーザー誘起蛍光計測実験を九州大学のHYPER-II装置のプラズマを用いて行うことができた。レーザー吸収分光ではコリメートしたビームを使用していたが、レーザー誘起蛍光法ではビーム径を絞る必要があった。q-plateに入射する平面波レーザーの径をこれまでより広げ、プラズマへの入射直前に設置したレンズによってレーザー直径を100μm程度に絞ることができた。結果として、トポロジカルチャージ１の場合のレーザー誘起蛍光スペクトルの取得に成功した。また、数値計算コードを整備したことで、任意のビーム半径、トポロジカルチャージ、流れ速度に対して、期待されるスペクトル形状を評価できるようになった。これにより、次年度以降の実験をより円滑に進められると期待される。以上により、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 |
今年度の研究から、光渦の方位角方向ドップラーシフトによるレーザー誘起蛍光スペクトルの変形を観測するには、さらにレーザー径を絞り、より高次のトポロジカルチャージをもつ光渦を用いる必要があることがわかった。今後は、レンズ光学系を最適化するとともに、トポロジカルチャージ３以上の光渦で実験を行うために、光渦生成法をq-plateから空間光位相変調器（SLM）を用いたホログラム法に替えることを予定している。また、より速い流れを得るために、プラズマ中に電極を挿入しイオンを積極的に加速した実験も検討している。ルール大学ボーフム（ドイツ）との国際共同研究へと発展させることで、RFプラズマへの光渦レーザー誘起蛍光法の適用も視野に入れて研究を進めていく計画である。
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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、年度末の学会参加のための費用が見積もりより低くなったためであり、研究計画の変更によるものではない。
次年度使用額については、光学部品等の消耗品購入に充当する計画である。
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