Development of plasma flow measurement technique using topological light waves

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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。