Development of plasma flow measurement technique using topological light waves

拓扑光波等离子流测量技术的发展

• 批准号: 21H01058
• 负责人: 吉村 信次
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: National Institute for Fusion Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01058/
• 关键词: トポロジカル光波; 光渦; レーザー誘起蛍光法; プラズマ; 流れ; レーザー計測

本研究の目的は、従来の平面波光を用いたレーザードップラー分光では原理的に不可能なレーザーの進行方向に垂直なイオン・中性粒子の流れ速度計測を、トポロジカル光波と呼ばれる特殊な光の一種である光渦（ラゲールガウスビーム）を用いたレーザー誘起蛍光（LIF）法によって実現することである。光渦がもつ螺旋状の等位相面のため、方位角方向の速度成分にもドップラー効果が働くことが理論的に示されており、実験による検証が進められている。本年度は、ビームを横切る流れの効果がLIFスペクトルの周波数シフトとして観測されることが予想される方位角方向に強度の非対称性をもつ光渦（非対称光渦）ビームを用いたLIF法の検討を理論・実験の両面から行った。非対称ラゲールガウスビームを用いた場合、LIFスペクトルの周波数シフトは非対称パラメータ、ビームウエストでの強度分布およびビームサイズ、ビームを横切る流れの速さに依存する。また、Gouy位相の効果によって、伝播とともに強度分布が回転する。これらの効果を数値計算により評価し、非対称光渦LIF法がビームを横切る流れの計測に対して非常に有効な方法であることを示した。この結果について、現在、成果論文を投稿中である。実験では空間光変調器へのレーザー光の入射位置を制御することで、非対称光渦ビームを生成することに成功した。また、伝播に伴う強度分布の回転が理論計算と一致することをビームプロファイラを用いた直接計測で示した。核融合科学研究所のHYPER-I装置で生成したプラズマ中にトポロジカルチャージ50の非対称光渦ビームを入射する初期実験を行った結果、トポロジカルチャージの符号の違いによってLIFスペクトルの周波数シフトが変化する結果が初めて得られた。この成果について、学会・国際会議で口頭発表を行った。

は の purpose, this study 従 to の plane wave を い た レ ー ザ ー ド ッ プ ラ ー spectral で は principle of に impossible な レ ー ザ ー の in vertical direction に な イ オ ン, neutral particles の れ velocity measuring を, ト ポ ロ ジ カ ル light と shout ば れ る special な light の a で あ る optical vortex (ラ ゲ ー ル ガ ウ ス ビ ー ム) を with い た レ ー ザ ー induced 蛍 light ( The LIF) method によって materializes する とである とである. Optical vortex が も つ spiral の allelic face reading の た め, azimuth direction の speed component に も ド ッ プ ラ ー unseen fruit が 働 く こ と に が theory in さ れ て お り, be 験 に よ る 検 card が into め ら れ て い る. は this year, ビ ー ム を crosscutting る flow れ の unseen fruit が LIF ス ペ ク ト ル の cycle for シ フ ト と し て 観 measuring さ れ る こ と が to think さ れ る azimuth direction に strength の non said seaborne を も つ optical vortex (not light vortex) seaborne ビ ー ム を with い た LIF method の beg を 検 theory, be 験 の struck surface か ら line っ た. Not said seaborne ラ ゲ ー ル ガ ウ ス ビ ー ム を with い た occasions, LIF ス ペ ク ト ル の cycle for シ フ ト は non said seaborne パ ラ メ ー タ, ビ ー ム ウ エ ス ト で の intensity distribution お よ び ビ ー ム サ イ ズ, ビ ー ム を crosscutting る flow れ の speed さ に dependent す る. Youdaoplaceholder0, Gouy phase results によって, 伝 broadcast とと に に intensity distribution が back to 転する. こ れ ら の unseen fruit を the numerical computing に よ り review 価 し, called optical vortex seaborne LIF method が ビ ー ム を crosscutting る flow れ の measuring に し seaborne て very に have sharper な method で あ る こ と を shown し た. Youdaoplaceholder0 である result に に て て て present, research paper を in submission である. Be 験 で は spatial variations of light modulator へ の レ ー ザ ー の incidence position を suppression す る こ と で, said optical vortex seaborne ビ ー ム を generated す る こ と に successful し た. ま た and 伝 sowing に う intensity distribution planning の back が と consistent theoretical calculation す る こ と を ビ ー ム プ ロ フ ァ イ ラ を with い た directly measuring で shown し た. Nuclear fusion science institute の the HYPER -i device で generated し た プ ラ ズ マ in に ト ポ ロ ジ カ ル チ ャ ー ジ 50 の not called optical vortex ビ seaborne ー ム を incident す る early be 験 を line っ た results, ト ポ ロ ジ カ ル チ ャ ー ジ の symbol の violations い に よ っ て LIF ス ペ ク ト ル の cycle for シ フ ト が variations change す る early results が め て must ら れ た. The achievements of に に に て て, academic societies and international conferences で, oral presentations を, った.

项目成果

Laser-induced fluorescence spectroscopy with optical vortex beam in a partially ionized plasma

部分电离等离子体中光学涡旋光束的激光诱导荧光光谱

• 发表时间: 2021
• 作者: T. Sano;S. Fujioka;Y. Mori;K. Mima;Y. Sentoku;R. Kodama;寺坂健一郎
• 通讯作者: 寺坂健一郎

Plasma-neutral coupling allows electrostatic ion cyclotron waves to propagate below ion cyclotron frequency

等离子体中性耦合允许静电离子回旋波在离子回旋频率以下传播

• DOI: 10.1063/5.0078192
• 发表时间: 2022
• 期刊: Physics of Plasmas
• 影响因子: 2.2
• 作者: Terasaka K.;Yoshimura S.
• 通讯作者: Yoshimura S.

光渦を用いた境界領域のイオン流計測

使用光学涡流测量边界区域的离子流

• 发表时间: 2022
• 作者: 吉村信次;寺坂健一郎;荒巻光利
• 通讯作者: 荒巻光利

レーザー誘起蛍光ドップラー分光法への光渦の活用とプラズマ流れ計測

利用光学涡流进行激光诱导荧光多普勒光谱和等离子体流测量

• 发表时间: 2021
• 作者: S. Naito;Y. SUZUKI;H. Tsutsui;寺坂健一郎
• 通讯作者: 寺坂健一郎

Laser-Induced Fluorescence Method Using Asymmetric Optical Vortex Beams

使用不对称光学涡旋光束的激光诱导荧光方法

• 发表时间: 2023
• 作者: Shinji Yoshimura;Kenichiro Terasaka;Hiroki Minagawa;Mitsutoshi Aramaki
• 通讯作者: Mitsutoshi Aramaki