An ionization induced plasma grating can be formed by spatially selective ionization of gases by the interference of two intersecting ultra-short laser pulses. The density modulation of a plasma grating can approach unity since the plasma is produced only where the two pulses constructively interfere and ionization does not occur in destructive interference regions. Such a large density modulation leads to efficient Thomson scattering of a second ultra-short probe pulse once the Bragg condition is satisfied. By measuring the scattering efficiency, it is possible to determine the absolute electron density in the plasma grating and thereby deduce the ionization degree for a given neutral gas density. In this paper, we demonstrate the usefulness of this concept by showing two applications: ionization degree measurement of strong-field ionization of atoms and molecules and characterization of extremely low-density gas jets. The former application is of particular interest for ionization physics studies in dense gases where the collision of the ionized electron with neighboring neutrals may become important-sometimes referred to as many-body ionization; and the latter is useful for plasma-based acceleration that requires extremely low-density plasmas.
イオン化プラズマグレーティングは、2つの交差する超短パルスレーザーの干渉による気体の空間選択的イオン化によって形成できる。プラズマグレーティングの密度変調は、2つのパルスが建設的に干渉する場所でのみプラズマが生成され、破壊的干渉領域ではイオン化が起こらないため、1に近づくことができる。このような大きな密度変調は、ブラッグ条件が満たされると、2番目の超短プローブパルスの効率的なトムソン散乱をもたらす。散乱効率を測定することで、プラズマグレーティング内の絶対電子密度を決定し、それによって所定の中性気体密度に対するイオン化度を推定することが可能である。本論文では、この概念の有用性を、原子・分子の強電場イオン化のイオン化度測定と、極低密度気体ジェットの特性評価という2つの応用を通じて実証する。前者の応用は、イオン化した電子が近傍の中性粒子と衝突する可能性がある高密度気体中でのイオン化物理、いわゆる多体イオン化の研究にとって特に重要であり、後者は極低密度プラズマを必要とするプラズマベースの加速に有用である。