超高感度マルチパスレーザーヘテロ干渉計の開発と衝撃波前方プリカーサ現象の解明

超灵敏多通道激光异质干涉仪的研制及冲击波前兆现象的阐明

• 批准号: 21K18778
• 负责人: 松井 信
• 金额: $ 4.08万
• 依托单位: Shizuoka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18778/
• 关键词: マルチパスセル; 高感度化; レーザー吸収分光法; レーザー干渉計; 大気圏突入; 衝撃波; プリカーサ; レーザー診断

本年度は，760 nm帯域のDFBレーザーを用いてJAXA宇宙科学研究所が所持する膨張波管試験チャンバ内にマルチパスシステムを設置し，酸素分子をターゲットとしたレーザー吸収分光法により感度向上率の検証を行った．その結果，空気流，流速6 km/sに対して二桁以上の感度向上に成功した．また実験前後の吸収信号の強さから，実験時の破膜によるアライメントへの影響はないことがわかった．次に本システムの光源をHeNeレーザーに変更，マルチパス後のレーザー光と参照光を同期させることでレーザー干渉計へと改良し，衝撃波管モードでの作動により衝撃波前方プリカーサー領域の電子密度計測を試みた．作動ガスは電離度が高いアルゴンを用い，衝撃波速度は6 km/sの気流に対し，光路長840 mmでは干渉信号が取れたものの（位相安定性：10.5 deg，検出限界：3.8x10^20 m-3），光路長2100 mmでは位相安定性が悪化し，検出限界が低下した（位相安定性：267 deg，検出限界：3.9x10^21 m-3）．位相安定性が悪化した原因を検証するため，防振光学台上に干渉計を組むことで光路長と位相安定性の関係を検証した．その結果，光路長増加によるレーザー強度の低下による位相安定性への依存性は低く，振動が主原因だと考えられる．衝撃波管及び試験部に接続したキューブチャンバはアルミニウム製であり，第二隔膜破膜時の振動が伝わる速さは6.38 km/sと衝撃波速度と同程度であるため，アライメントにズレが生じ，位相安定性が大きな値となったと考えられる．次年度は試験部内のマルチパスシステム全体を防振することで感度向上を試みる．

今年，我们将在JAXA空间与宇宙科学研究所拥有的扩波管测试室中安装使用760 nm波段DFB激光器的多通道系统，并使用针对氧分子的激光吸收光谱法验证灵敏度提高率。我做到了。结果，我们成功地将气流和流速 6 km/s 的灵敏度提高了两个数量级以上。此外，实验前后吸收信号的强度表明，实验过程中膜破裂不会影响对齐。接下来，将该系统的光源改为氦氖激光器，通过将多道后的激光束与参考光束同步，改进为激光干涉仪，并通过在激波管模式下操作，可以测量我尝试过冲击波前面前体区域的电子密度。使用电离度高的氩气作为工作气体，在冲击波速度为6km/s的气流中，以840mm的光路长度得到了干涉信号（相位稳定性：10.5） deg，检测限：3.8x10^20 m) -3)，当光路长度为2100 mm时，相位稳定性变差，检测限下降（相位稳定性：267 deg，检测限：3.9x10^21 m-3）。为了验证相位稳定性恶化的原因，我们通过在抗振光具座上装配干涉仪来验证光路长度与相位稳定性之间的关系。结果，相位稳定性对由于光路长度的增加而导致的激光强度的降低的依赖性较低，并且振动被认为是主要原因。与测试部分连接的冲击波管和立方体腔室由铝制成，第二隔膜破裂时振动传递的速度为6.38公里/秒，与冲击波速度大致相同，从而产生这被认为是由于较大的稳定性值造成的。明年，我们将尝试通过对测试部门的整个多路径系统进行防振来提高灵敏度。

项目成果

マルチパスレーザー吸収分光法における膨張波管窓の感度向上への影響評価と時間分解気流診断

扩展波管窗口对多道激光吸收光谱和时间分辨气流诊断灵敏度提高的影响评估

• 发表时间: 2021
• 作者: 小林隆; 松井信; 山田和彦
• 通讯作者: 山田和彦

Optimization of Optical Path Length in Laser Absorption Spectroscopy Using Multi-Pass Cell

使用多通道池优化激光吸收光谱中的光程长度

• 发表时间: 2022
• 作者: Nogami; H.; Kobayashi; R.;Matsui; M.
• 通讯作者: M.

マルチパスセルを用いたレーザー吸収分光法の光路長最適化のための数値計算

使用多通道池的激光吸收光谱光路长度优化的数值计算

• 发表时间: 2022
• 作者: 野上颯斗; 松本帆尭; 松井信
• 通讯作者: 松井信

Flow Diagnostics by Laser Absorption Spectroscopy Using Multi-pass Cell in Expansion Tube

使用膨胀管中的多通道池通过激光吸收光谱进行流量诊断

• 发表时间: 2022
• 作者: Gunji; K. Kobayashi; R.; Matsui; M.; Yamada; K.
• 通讯作者: K.

Temperature Measurement of HEK-X Expansion Tube Flow by Laser Absorption Spectroscopy

激光吸收光谱法测量 HEK-X 膨胀管流量温度

• DOI: 10.2322/tjsass.64.193
• 发表时间: 2021
• 影响因子: 1.1
• 作者: Matsui; M.; Kobayashi; R.; Okamoto; T.; Yamada; K.;Tanno; H.
• 通讯作者: H.