| 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が不可能なレーザー光を横切る流れの検出を試みる。
昨年度行った数値計算の結果、トポロジカルチャージ1の光渦ビームでは方位角方向ドップラーシフトの寄与を観測することは困難であることがわかったため、今年度は、空間光変調器（Spatial light modulator: SLM）に描画したホログラムを用いることでトポロジカルチャージ10の光渦ビームを生成して実験を行うこととした。この方法は1次回折光として光渦ビームを生成するため、結果として、光渦ビームの強度が1 mW以下と極端に弱くなり、レーザー誘起蛍光スペクトルを十分なSN比で計測することはできなかった。
レーザー強度の増強のためにホログラムの最適化を検討したが、得られるビーム強度は数倍程度であり、この方法での問題の解決は難しいことがわかった。ホログラム入射前のレーザー強度を増幅するため、核融合科学研究所所有の半導体光増幅器を使用できることとなった。これにより、強度不足の問題は解消される。また、方位角方向ドップラー効果の寄与を大きくするためには、十分速いイオン流れを対象とする必要がある。プラズマ中に電極を挿入し大きな負の電圧を印加することでイオンを加速する計画である。これにより、半導体プロセスで用いられているエッチング装置における基板へのイオン入射ダメージの研究への波及効果も期待される。
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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
昨年度、有意なスペクトル変形が得られなかったトポロジカルチャージ1の光渦ビームを用いた実験について、数値計算によってその理由が説明できた。結果を査読付き論文として出版した。また、計算の結果、10 km/s程度のイオン流れに対して、トポロジカルチャージ10で直径30μm程度の光渦ビームを用いることで、レーザー誘起蛍光スペクトルの有意な変形が示された。実験としては、空間光変調器を用いることでトポロジカルチャージ10の光渦ビームの生成に成功した。ビーム強度が十分ではなかったため、スペクトルのSN比が悪く結論は得られなかったが、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 |
空間光変調器をもちいることでトポロジカルチャージ10の光渦ビームを生成し、核融合科学研究所のHYPER-I装置および九州大学のHYPER-II装置を用いて、レーザー誘起蛍光計測を行う。来年度に向けて半導体光増幅器を準備することができたため、ビーム強度の不足という問題は解決できる。さらに、プラズマ中に挿入した電極に負バイアスすることでイオンを加速し、方位角方向ドップラー効果の寄与を増大させる計画である。
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