レーザープラズマ

レーザープラズマとは、高出力レーザー光が物質に照射されることで生じる電離した状態、およびそのレーザー光とプラズマとの相互作用全般を指す。レーザー光は固体表面を瞬時に電離・加熱して密度の高いコロナプラズマをつくり、その中を伝搬しながら吸収、散乱、粒子加速といった一連の過程を駆動する。この現象は慣性核融合の駆動、レーザー粒子加速器、X線源など幅広い応用の基盤であり、その物理はミクロン・ピコ秒という極めて短い時空間スケールで展開される。

図は、フェムト秒の強レーザー光をテープ状標的に照射する典型的な実験配置の模式図である。単一テープ、複数の平行テープ、十字テープという標的形状の違いが示されており、実際の実験ではz方向に長いテープやメッシュ状の標的も用いられる。このように、レーザープラズマ研究では目的とする加速機構や粒子線の質に応じて標的形状を工夫することが常套手段となっている。

レーザーによるプラズマの生成と加熱

強レーザー光を固体やガスに集光すると、まず表面物質が電離されてプラズマが生じる。レーザー光がプラズマ中を伝搬できるかどうかは、プラズマ周波数とレーザー周波数の大小で決まる。レーザー波長をλ₀(µm)とすると、臨界密度は n_c = 1.1×10²¹/λ₀² cm⁻³ で与えられ、この密度以下の領域(コロナ)でのみレーザー光は伝搬できる。臨界密度以下では、レーザー光は逆制動放射吸収(衝突型吸収)や共鳴吸収といった機構でエネルギーを電子に渡す。前者は電子とイオンの衝突を介した吸収で、短波長のレーザーほど効率が高い。後者は密度勾配に沿ってレーザー電場の振動方向が密度の極大点に一致したときにプラズマ波が共鳴的に励起される現象で、p偏光の斜入射で顕著になる。相対論的強度では、相対論的効果によって共鳴吸収が変調されることも知られている。

吸収されたエネルギーの一部は高温電子(ホットエレクトロン)として取り出される。ホット電子は標的内部を走行(リフラックス)し、その挙動はKα像などのX線計測で可視化される。ホット電子の生成と輸送は、後述の核融合や粒子加速の成否を左右する鍵となる。