2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of optical vortex spectroscopy and its application to measurement of traverse gas flow
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17H03000
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
荒巻 光利 日本大学, 生産工学部, 教授 (50335072)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
北野 勝久 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (20379118)
吉村 信次 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 准教授 (50311204)
寺坂 健一郎 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (50597127)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光渦 / プラズマ分光 / レーザー分光 / ドップラースペクトル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光渦は３次元的にねじれた位相構造を持つ電磁波であるため，その光波中を運動する粒子は３次元のドップラー効果を受ける．本研究では，光渦レーザーの特異な空間位相構造をプラズマ分光に利用することで，レーザーを横切る方向の運動に感度を持つ光渦ドップラー分光法を開発し，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．
2019年度は，研究実施計画に従って以下の研究を推進した．
「欠陥のある光渦の伝播解析」：光渦吸収分光ではビーム断面におけるドップラーシフトの位置依存性を利用するため，必然的に局所的な吸収による欠陥構造を観測する必要が出てくる．2019年度はフレネル近似および角スペクトル法を用いた数値計算により，欠陥のある光渦の構造がGouy位相変化に伴って回転することを確認した．さらに，実験に近い条件として，プラズマ中を吸収されながら伝播する光渦の構造変化について解析を進めている．「フーリエマスク光渦吸収分光法の開発」：2019年度は，フーリエマスク光渦吸収分光法のための，高NA結像系の設計・開発を行った．「光渦LIF法の開発」：光渦LIF法では，ビーム断面内の位相特異点近傍から放出されるLIF信号に方位角ドップラー効果が強く働いている．2019年度は，位相特異点近傍からの信号によって，わずかに変形されるドップラースペクトルの評価方法について検討を行った．また，光渦LIF測定の予備実験を開始した．これら年初に設定した研究課題に加えて，測定に用いる光渦のビーム性能の向上も行った．これまでの光渦ドップラー分光では，観測される方位角ドップラーシフトが理論予想に対して1桁程度大きい値になる問題があった．空間フィルタを用いてビームモードを整えた光渦を観測に用いることで，理論値に近いドップラーシフトが得られるようになった．この成果を発展させ，高次かつ高品質な光渦生成の検討を進めている．
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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
光渦分光法を確立するため，実験系の改善とともに，新たな応用に向けた理論解析と実験を着実に進めている．数値計算により，欠陥のある光渦の伝播特性を明らかにする等，光渦分光に必要な基礎特性の理解が進んでいる．また，これまで原因が明らかになっていなかった方位角ドップラーシフトが理論予想よりも大きな値になる問題に関しても，ビーム性能を向上させることで解決の目途がついてきている．フーリエマスク光渦吸収分光法および光渦LIFに関しても，着実に実験系の構築が進められている．このように，光渦分光法確立に向けた基礎的な研究が進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は，以下の課題について研究を推進する．
「欠陥のある光渦の伝播解析」：角スペクトル法を用いて短距離の光伝播を正確に取り扱う計算コードを開発する．これにより，吸収されながらプラズマ中を伝播する光渦を詳細に解析し，実験で得られる回折によって変形された強度分布およびドップラースペクトルの解析法を開発する．「高次光渦を用いた吸収分光法の開発」：前年度までの研究により，実験に用いる光渦に微少ながらも含まれる他モード成分によって，ドップラースペクトルが影響を受けることが明らかになっている．今年度は，より純粋なモード成分を持つ光渦を生成するためのコンピュータ生成ホログラムを開発し，高次の光渦を用いた吸収分光法を開発する．「光渦LIF法の開発」：光渦の方位角ドップラーシフトは特異点近傍で顕著になるが，光渦LIF法では，光渦によって誘起された蛍光の積分のみしか得られないため平面波で測定されたスペクトルとの違いが検出しにくいという問題が明らかになっている．今年度は，プラズマ中に加速電極を挿入することで生成された高速なイオン流の検出実験を行う．「フーリエマスク光渦吸収分光法」：昨年度までに設計・開発した結像系にマスクを挿入し，フーリエマスク光渦吸収分光法の予備実験を開始する．
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