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。

吸収機構と高速電子の生成

強レーザーと高密度プラズマとのエネルギー授受は、従来の逆制動放射（衝突吸収）だけでは説明できない。フェムト秒・高強度条件下では、レーザー電場がプラズマ中の電子を直接揺さぶる衝突レス吸収が支配的となる。代表的な機構は、斜め入射したp偏光がプラズマ密度勾配に沿って電場の法線成分を持つことで電子を標的内部に引き込み、往復運動させる共鳴吸収、および相対論的強度で界面の有効透過性が変化することで起こるJ×B（真空加熱）加熱である。実際、光学研磨した石英標的に相対論的強度のフェムト秒パルスを入射する実験では、最適入射角でp偏光エネルギーの約80%が吸収される一方、低入射角では約60%が反射されるという結果が得られており、衝突レス過程の存在を強く示している。この高い反射率は「プラズマミラー」と呼ばれる高輝度反射光学系の原理そのものである。

吸収されたエネルギーの大部分は「高速電子（ホットエレクトロン）」と呼ばれる、レーザー電場から直接加速された超熱電子群に持ち去られる。電子分布は単一の温度では記述できず、数100 eV程度の熱的成分と、数keV以上の非熱的・超熱的成分の二成分構造を示すことが、電子スペクトルの直接測定、イオンの飛行時間スペクトル、硬X線計測という互いに独立な診断の比較から確かめられている。高速電子の生成量と角度分布はレーザー偏光に強く依存し、高時間コントラスト条件下ではs偏光でも高収量の高エネルギー電子が生じ、最も高エネルギーの電子は標的表面に沿って放出されるなど、低コントラスト条件下とは異なる様相を示す。生成された高速電子はその後、標的内部を伝播して後面に到達し、そこで静電シースを形成してイオン加速の原動力となるため、その生成と輸送の理解はレーザー加速全般の基礎となっている。

時間コントラスト、プレパルスと標的加熱

フェムト秒レーザーの性能を論じる上で、時間コントラスト、すなわち主パルスに対する不要な先行光（プレパルス）や増幅された自発放射（ASE）の強度比が決定的に重要である。CPA系では増幅過程で必然的に先行ノイズが伴い、主パルスの数ナノ秒前にコントラスト比10⁶〜10¹⁰程度の光が標的に到達する。この先行光が固体表面を予備プラズマ化すると、主パルスが到達する時点で既に密度勾配が形成されており、吸収機構も高速電子のエネルギーも大きく変化してしまう。高コントラスト化（プラズマミラーなどによるパルスクリーニング）は、この予備プラズマを排除して主パルスを「固体密度の界面」に直接当てるための必須技術であり、前節の偏光依存性の実験結果も高コントラスト条件下で初めて得られたものである。

一方、フェムト秒パルスのエネルギー沈着は極めて局所的かつ急速であるため、その後の標的の加熱過程自体が研究対象となる。パルス終了後、高速電子が標的内部でエネルギーを落とすことで固体は短時間に高温高圧状態となり、近固体密度の層がフェムト秒の時間スケールで急速に変化する様子が観測されている。また、フェムト秒アブレーションでは、パルスが当たった物質が膨張して大気中にプラズマプルームを形成する過程が、金属・酸化物・水などの標的物質や雰囲気条件に依存して進行する。この非平衡なプルームダイナミクスは、レーザー加工や発光分光分析（LIBS）の精度を左右するため、ラングミュアプローブや分光計測による詳細な特性評価が行われている。

電子・イオン加速の方式

フェムト秒レーザープラズマが最も注目されている応用は、レーザー駆動による電子・イオン加速である。イオン加速では、標的に吸収されたレーザーエネルギーが高速電子を介して標的後面の静電シースに変換され、イオンを標的法線方向に加速する標的法線シース加速（TNSA）が基本機構であり、現在までに陽子で約100 MeV、炭素イオンで約50 MeV/uのカットオフエネルギーが複数の装置で達成されている。ただしTNSAで得られるスペクトルは指数関数的に減衰する広がりを持つため、がん治療や高速点火など実用応用が求める準単色ビームを得るには、レーザー放射圧加速（RPA）、衝突レス衝撃波加速（CSA）、クーロン爆発など、他の機構との複合的な利用が検討されてきた。

こうした中で、ペタワットフェムト秒パルスをテープ状標的に照射すると、標的前縁から大量の電子が「剥ぎ取られ」て側面に沿って加速され、後面に再注入されることで縦方向のバンチング場と横方向の集束場が自己形成されるという「ピーラー方式」が提案されている。この方式では、100 MeV超・エネルギー幅約1%・粒子数約10⁹という準単色陽子ビームがシミュレーションで示されており、単一テープに加えて平行テープや十字テープ（メッシュ状）標的を用いることで、照準ずれの影響を抑えつつ狭スペクトルという特徴を実験的に確認する道が開かれている。また、主パルスを分割して標的前面と後面の両方から照射すると、両面に高速電子層が形成されて吸収率が向上し、同一総エネルギーの単一パルスの場合に比べて陽子のカットオフエネルギーや変換効率がほぼ倍増するという、パルス分割による新しい制御の自由度も示されている。電子加速では、フェムト秒パルスが誘起するプラズマウェイク（後方に残る電子密度の疎密波）を利用するウェイクフィールド加速が基本であり、電離勾配を利用してパルスの自己圧縮とウェイク場の増強を図る手法などが研究されている。

応用と診断

フェムト秒レーザープラズマの応用は、粒子加速にとどまらない。空気中に強いフェムト秒パルスを集光すると、クリーエフ機構による自己集束とプラズマ生成のバランスで光が細長い「フィラメント」を形成し、大気中へのエネルギー沈着やテラヘルツ波発生の光源となる。2本のフェムト秒ビームのフィラメンテーションを組み合わせることでテラヘルツ放射の変換効率を高める試みもなされている。また、重水素クラスターをフェムト秒レーザーで加熱して核融合反応を起こす研究や、誘電体内部に波長以下のスケールで局所的なプラズマを生成して材料を改質する技術、二重照射された薄膜標的から発生するX線の自己吸収を考慮したプラズマ診断など、高エネルギー密度科学・物質科学・核物理の各分野に展開している。

一方、これらの現象を定量的に理解するには、フェムト秒・マイクロメートルスケールで起こる過程を一発ごとに評価する診断が不可欠である。高速電子の平均エネルギーは、硬X線の二チャネル検出やイオン飛行時間計測から単発で推定でき、これらは電子スペクトルの直接測定と良い一致を示す。また、強集光条件下では、加速された電子そのものを利用して集光点のピーク強度をその場でモニターする手法も提案されており、レーザー性能の揺らぎが結果を直接左右するこの分野特有の課題に応えている。シミュレーション（粒子法）とこうした単発診断の組み合わせにより、フェムト秒レーザープラズマの非平衡・非線形ダイナミクスの理解が進んでいる。