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光渦ドップラー吸収分光における横方向ドップラーシフトと吸収率の空間分布

荒巻光利１、山本将来１、吉村信次2、寺坂健一郎3、森崎友宏2

1日大生産工、2核融合研、3九大総理工

2

WallSubstrate

etc

Flow

Heat loadRadicals

Ionsetc

PlasmaPlaneWave

OpticalVortex • プラズマに関連する様々な研究において、境界

に垂直な粒子の流れは重要なパラメータである．

• ドップラー分光法は粒子の温度や流速を非破壊で測定できる有効な測定手法である．しかし、波の伝播方向にしかドップラー効果が働かないため、垂直入射の測定では必然的に境界そのものが障害になる．

• 本研究では、流れに対して垂直な方向から流れ計測を可能にする、光渦ドップラー分光法を開発することを目的としている。

3

θ

V

// cos

の場合 ≅

の場合 ≅

縦ドップラー効果

横ドップラー効果

4

縦ドップラー効果は、運動によって光源あるいは観測者が異なる等位相面へと移動することによって引き起こされるので、

平面波の場合

伝播に垂直な方向で位相が一定なので運動による位相変化はなく、横方向のドップラー効果は観測されない。

球面波の場合

伝播に垂直な方向で位相が変化するので運動により位相が変化し、横方向のドップラー効果が観測される。ただし、非常に小さい。

5

≅

ドップラーシフト

伝播方向 径方向 方位角方向

L. Allen, et al., Opt. Comm. 112, 141 (1994)

, , ,

!!

| |

· · ·

· · ·

:Laguerre polynomials:Rayleigh range ≡ /:beam waist

:topological charge:radius of curvature ≡ /

6

azimuthal phase shift

Ar ICP

7

飽和吸収分光を用いたガス流速測定

ECDL

PMF

PD

FPI

Wave-meter

/2

PBS

697nm10 mWFor Ar*

PBS

Pump Laser

ICPGas : ArRF : 13.56 MHz, 6 W

PD

Gas inlet

Pump out

Probe Laser

Since the traditional Doppler spectroscopy cannot detect the transverse flow, the laser is tilted 45° against gas flow.

8

Measurement of Gas Flow

Expected azimuthal Doppler shift and Lamb dip shift in 200 m/s flow is 28 MHz and 15 MHz at 10 , respectively.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

14 ccm

28 ccm52 ccm84 ccm112 ccm140 ccm168 ccm196 ccm210 ccm224 ccm252 ccm280 ccm

Detuning [GHz]

0

100

200

0

20

40

60

80

100

120

0 100 200 300Gas Flow Rate [ccm]

9

光渦ドップラー分光計測系

ECDL

PMF

PD

FPI

Wave-meter

SLM

PC

BS

697nm10 mWFor Ar*

OV Laser

CMOS cameraresolution : 6.5mAD : 16 bit

ICPGas : Ar, 116mTorr (280ccm)RF : 13.56 MHz, 10 W

PC

BS

/2

PD Gas inlet

Pump out

Beam extenderx 10

10

+ =

2D-FFT

(2D-FFT)-1

OV Tilted PWPhase

Intensity

Select the first order compornent

Phase Singularity

K. Yamane, et al., New J. Phys. 16, 053020 (2014).

11

ガス流方向の位相勾配から期待されるドップラーシフト

光渦（ℓ = +1）位相分布

π

-π

位相勾配

ガス流方向の微分

位相勾配から期待されるドップラーシフト

位相特異点

ガス流200m/s

12

2次元吸収分光

OV ℓ = +1 OV ℓ = -1 Plane wave ℓ = 0

0

0.1

0.2

-1000 -500 0 500 1000Detuning [MHz]

レーザーの波長を掃引しながら吸収画像をCCDカメラで記録し、各ピクセル毎の強度変化から吸収スペクトルを得る。

ガス流

吸収スペクトルの例

13

方位角ドップラーシフトの2次元分布

OV ℓ = +1 OV ℓ = -1 Plane wave ℓ = 0500MHz

-500MHz

The sign of the azimuthal Doppler shift of the OV beam flips with the change of the topological charge, and inversely proportional to r.

5MHz

-5MHz

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方位角ドップラーシフトの径方向分布

The sign of the azimuthal Doppler shift of the OV beam flips with the change of the topological charge, and inversely proportional to r.

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

-60 -40 -20 0 20 40 60

l=-1

l=+1

l=0

Distance from Singularity [m]

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

-60 -40 -20 0 20 40 60

l=-1l=+1l=0l=-1（grad）l=+1（grad）

Distance from Singularity [m]

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

-60 -40 -20 0 20 40 60

l=-1l=+1l=0l=-1（grad×5）l=+1（grad×5）

Distance from Singularity [m]

×5

まとめ

3次元的な位相構造を持つ光渦を用いることで、プローブレーザーを横切る流れを測定できる。

観測されたドップラーシフトの分布は、トポロジカルチャージの符号に依存して反転するとともに、特異点からの距離と反比例の関係にあり定性的に理論と一致している。ただし、光の位相勾配から予想されるシフトよりも1桁近く大きい。

負の吸収率を示す領域がある等、現時点では解釈ができない現象もあり、光渦と原子・分子の素過程について基礎的な理解をさらに進める必要がある。

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