[論文レビュー] Quantum-optical spectroscopy for plasma electric field measurements and diagnostics

David Anderson, Georg Raithel+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2017

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 30被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、ルビジウム原子のリドバーグ状態を用いた電磁誘起透過（EIT）を用いた量子光学的分光法を提案し、0.15 V/mの感度でサブミリメートルスケールの空間分解能を達成してプラズマの電場を測定する。この手法により、絶対的かつ非破壊的な測定が可能となり、低密度および磁化プラズマにおける電場イメージングと診断が実証された。核融合および産業用プラズマへの応用が期待される。

ABSTRACT

Measurements of plasma electric fields are essential to the advancement of plasma science and applications. Methods for non-invasive in situ measurements of plasma fields on sub-millimeter length scales with high sensitivity over a large field range remain an outstanding challenge. Here, we introduce and demonstrate a new method for plasma electric field measurement that employs electromagnetically induced transparency as a high-resolution quantum-optical probe for the Stark energy level shifts of plasma-embedded Rydberg atoms, which serve as highly-sensitive field sensors with a large dynamic range. The method is applied in diagnostics of plasmas photo-excited out of a cesium vapor. The plasma electric fields are extracted from spatially-resolved measurements of field-induced shape changes and shifts of Rydberg resonances in rubidium tracer atoms. Measurement capabilities over a range of plasma densities and temperatures are exploited to characterize plasmas in applied magnetic fields and to image electric-field distributions in cyclotron-heated plasmas.

研究の動機と目的

• サブミリメートルスケールで高感度なプラズマ電場測定を実現する非破壊的手法の開発。
• リドバーグ原子を用いた量子光学的手法を活用することで、従来のプローブや発光分光法の限界を克服すること。
• 低密度および磁化プラズマを含む多様なプラズマ条件下で、絶対的かつキャリブレーションフリーな電場測定を可能にすること。
• リドバーグ-EIT分光法を用いて電場分布の空間分解能を有するイメージングを実現すること。
• 核融合エネルギー研究に重要な高密度・高温度プラズマへの量子センシングの応用範囲を拡大すること。

提案手法

• セシウム（Cs）とルビジウム（Rb）の二成分蒸気セルを用い、プラズマを生成するとともに、リドバーグプロービングの媒体とする。
• 852 nmおよび約510 nmの二色光照射による光電離を用い、Cs蒸気中に電子プラズマを生成し、初期電子エネルギー（0.6 meV または 20.8 meV）を調整可能とする。
• 85Rbのリドバーグ状態において、逆方向に入射する780 nmおよび480 nmのレーザー光を用いてEITを実装し、プラズマの電場によって誘起されるスターリングシフトを測定する。
• 480 nmレーザー周波数をスキャンしながら780 nmプローブビームの透過率を測定し、リドバーグ遷移の高分解能スペクトルを取得する。
• スペクトルシフトから電場分布を抽出するため、$ P(E) = P(\nu) \cdot d\nu/dE $ の関係を用い、$ d\nu/dE = \alpha_{52S}E $ および $ \alpha_{52S} = 68.6 \, \text{MHz/(V/cm)} $ とする。
• スペクトルに滑らかさ関数を適用することで、SN比を向上させ、EITのライン幅効果の正確なデコンボリューションによる電場分布解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リドバーグ原子におけるEITは、プラズマ電場測定においてサブミリメートルスケールの空間分解能を達成できるか？
• RQ2 リドバーグ-EIT分光法は、プラズマ診断において0.15 V/m未満の感度を達成できるか、その程度はいかほどか？
• RQ3 低密度および磁化プラズマにおける電場分布はどのように変化するか？ また、量子光学的手法を用いてそのイメージングが可能か？
• RQ4 この手法は、核融合エネルギー研究に重要である高密度または高温度プラズマへと拡張可能か？
• RQ5 ホルツマーク（Holtsmark）の微小場と巨視的場が、観測された電場確率分布の形状に果たす役割は何か？

主な発見

• 本手法は0.15 V/mの感度を達成し、従来手法と比較して1桁の改善を示した。
• スペクトルデータから電場分布が成功裏に抽出され、$ X_{\rm OP} = 100 $ から $ 500 \, \mu\text{m} $ の範囲で最大で約3 V/cmの電場強度が観測された。
• 最大の電場はプローブビームの縁部に観測され、プラズマ対称軸から最大で約100 $\mu$mの位置にまで及んでいた。
• 一部の状況では電場分布に二峰性構造が観測され、微小場と巨視的場の両方の寄与が示唆された。
• 本手法により、低密度および磁化プラズマにおいて非破壊的かつキャリブレーションフリーな電場測定が実現された。
• 本手法はECR加熱プラズマにも適用可能であり、より低いリドバーグ準位や代替EIT構成を用いることで、より高い電場強度への応用が可能である。