In this study, plasma channel formation in pure He plasma (ionization electron density 0.01–0.1nc) interacting with ultra-short relativistic laser pulses (50 fs, >1019 W cm−2) was observed and analyzed. By appropriately selecting the laser pulse and gas backing pressure of the gas jet, a clear density channel longer than 300 μm and wider than 25 μm was achieved in less than 1.5 ps following the passage of the laser pulse, with a radial electron density gradient of ~1023 cm−4 at the channel walls. Numerical simulations for studying the affects of the plasma density, kinetic motion of electrons and ions, and nonlinear laser propagation on the plasma channel formation were carried out, which reproduced the experimental features. These density channels were mainly driven by the radial expulsion of plasma ions, with strong continuous laser self-focusing acting to improve the channeling efficiency. These channels can guide the propagation of ultra-intense laser pulses and supply several advanced applications in high-energy physics, including fast-ignition inertial confinement fusion, plasma-based particle accelerations, and sources of radiation.
本論文では、純ヘリウムプラズマ（電離電子密度0.01–0.1nc）中で超高強度相対論的レーザーパルス（50 fs、>10¹⁹ W cm⁻²）と相互作用する際のプラズマチャネル形成を観察し、解析した。レーザーパルスとガスバッキング圧力を適切に選択することにより、レーザーパルス通過後1.5 ps以内に、長さ300 μm以上、幅25 μm以上の明瞭な密度チャネルが、チャネル壁における動径方向の電子密度勾配～10²³ cm⁻⁴とともに形成されることが実証された。プラズマ密度、電子・イオンの運動論的効果、および非線形レーザー伝播がプラズマチャネル形成に及ぼす影響を調べるための数値シミュレーションを実施し、実験結果を再現することに成功した。これらの密度チャネルは主にプラズマイオンの動径方向への排出によって形成され、強力な連続的なレーザー自己集束がチャネル形成効率の向上に寄与している。これらのチャネルは、超高強度レーザーパルスの伝播を導波することができ、高速点火慣性核融合、プラズマベースの粒子加速、および放射線源など、高エネルギー物理学におけるいくつかの先進的応用を可能にする。