フェムト秒レーザー

フェムト秒レーザーとは、パルス幅が数フェムト秒から数百フェムト秒（1フェムト秒は10⁻¹⁵秒）の超短パルスレーザーであり、このような極短時間の光を高強度で物質に集中することで、物質を加熱・平衡化する時間すら与えずにプラズマを生成する手法である。レーザーと物質との相互作用が電子の運動の時間スケールで起こるため、従来の長パルスレーザーとはまったく異なる非平衡・衝突レスな高エネルギー密度状態を実現でき、粒子加速、X線・テラヘルツ放射、レーザーアブレーション、核融合関連研究など幅広い分野の基盤技術となっている。

図は、強力なフェムト秒レーザーパルスをテープ状の薄膜標的に入射させる加速実験の構成概念図であり、単一テープ標的(a)のほか、複数の平行テープ(b)、十字テープ(c)を組み合わせた標的形状の例を示している。このように標的形状を工夫することで、レーザーの照準ずれへの耐性を高めつつ、加速される粒子の性質を制御しようというのが、現在のレーザープラズマ研究の典型的な姿である。

フェムト秒パルスと超高速レーザー・プラズマ相互作用

フェムト秒レーザーの本質は、パルス幅が極めて短いことと、それに伴う高いピーク強度にある。同じパルスエネルギーでも、時間を短く詰めればピーク出力は上がる。現在主流のチタンサファイアレーザーでは、チャープパルス増幅（CPA）という手法により、一度パルスを時間的に伸ばして増幅し、再び圧縮することで、テラワットからペタワット級のピーク出力を数十フェムト秒のパルスとして取り出せる。これを数マイクロメートル程度に集光すると、10¹⁸ W cm⁻²を超える「相対論的」強度に達し、電子は1レーザー周期の間に光の電場で相対論的速度まで加速される。

このような強度では、レーザーが当たった固体表面は瞬時にプラズマ化するが、パルス自体が短いため、レーザーは生成されたばかりのプラズマと相互作用する。標的表面が膨張して密度が下がる前にエネルギーが注入されるため、臨界密度（レーザー光が伝播できる上限のプラズマ密度）を大きく上回る高密度プラズマとの衝突レスな相互作用が実現する。この「固体密度のままレーザーを受ける」という状況が、フェムト秒レーザープラズマの特徴であり、吸収、高速電子生成、粒子加速のすべてがこの条件下で起こる。