A simple technique for diagnosing the peak intensity of a tightly focused high-power femtosecond laser beam is proposed. The method is based on tracking the angular distribution of electrons directly accelerated in the waist of linearly polarized tightly focused radiation. Field ionization of a low density (<1016 cm−3) gas (e.g. helium) creates electrons, which are accelerated by the electromagnetic field and leave the focal area with relativistic residual energy. Three dimensional simulations utilizing the particle-in-cell code and test particle method revealed that the maximum of angular distribution of high energy electrons shifts to the beam axis with increase in the peak laser intensity. Hence, the peak laser intensity may be well evaluated by detecting a direction of the flux of large momentum particles. The experimentally measured angular characteristics of electrons accelerated in the caustic region of tightly focused ∼1 TW laser radiation with an estimated vacuum peak intensity above 1019 W cm−2 have shown reasonable agreement with the numerical simulations. Shot-to-shot variation of the pulse energy leads to deviations in the particles angular distribution, opening the opportunity to control the focusing quality in situ, in each laser shot.
高強度フェムト秒レーザービームのピーク強度を診断するための簡便な手法を提案する。本手法は、直線偏光した高強度集光放射のウェスト部において直接加速された電子の角度分布を追跡することに基づく。低密度（<10¹⁶ cm⁻³）のガス（例えばヘリウム）の電界イオン化により電子が生成され、これらは電磁場によって加速され、相対論的残留エネルギーを持って集光領域を離脱する。パーティクル・イン・セルコードとテスト粒子法を用いた三次元シミュレーションにより、高エネルギー電子の角度分布の最大値は、レーザーピーク強度の増加に伴ってビーム軸方向へシフトすることが明らかになった。したがって、高運動量粒子のフラックスの方向を検出することにより、レーザーのピーク強度を良好に評価することができる。集光領域（caustic region）において集光された約1 TWのレーザー放射（推定真空中ピーク強度10¹⁹ W cm⁻²以上）で加速された電子の角度特性に関する実験的測定結果は、数値シミュレーションと良好な一致を示した。パルスエネルギーのショット間変動は粒子の角度分布に偏差をもたらすが、これにより各レーザーショットにおいて集光品質をその場で制御する機会が開かれる。