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。

パラメトリック不安定性

強レーザー光とプラズマ波の非線形結合によって生じるパラメトリック不安定性は、レーザープラズマ相互作用の中心課題である。入射レーザー光(ポンプ波)が、プラズマ固有のモード(電子プラズマ波、イオン音波)と散乱光の対に「崩壊」する過程が、空間的・時間的に増幅される現象である。主なものは、誘導ラマン散乱(SRS:ポンプ波が電子プラズマ波と散乱光に崩壊)、誘導ブリルアン散乱(SBS:ポンプ波がイオン音波と散乱光に崩壊)、フィラメンテーション(レーザー光の強度分布がプラズマの屈折率変化を介して増幅され、細い光路に自己収束する現象)である。

これらの不安定性の理論は、レーザー発明の直後から固体・液体中の誘導散乱として研究が始まり、プラズマ中では時間的増幅率と閾値条件の解析から出発した。均一プラズマ中では娘波は空間的に増幅される(対流型不安定性)。一方、密度分布に極値があると、娘波が二つの転回点の間に閉じ込められ、時間的に指数関数的に成長する(絶対不安定性)。この対流型と絶対型の区別は、レーザー核融合のコロナプラズマのような不均一系では本質的である。

誘導ラマン散乱や二プラズモン崩壊(TPD)は、超熱電子を生成する。この超熱電子は圧縮前の燃料を予熱し、圧縮性能を劣化させるため、慣性核融合では最も警戒すべき現象とされる。一方、誘導ブリルアン散乱やビーム間エネルギー移動(CBET)は、レーザーエネルギーの直接的な損失をもたらす。これらの散乱光は主に前方と後方に放出され、単一ビームだけでなく複数ビームの集団的な相互作用によっても駆動される。

相対論的相互作用と粒子加速

レーザー強度が10¹⁸ W/cm²を超えると、電子のクォーバー運動が相対論的になり、レーザー光とプラズマの相互作用は質的に変わる。この領域では、レーザーの電場が電子を相対論的速度まで加速し、電子の質量増大によって臨界密度が実効的に上昇する(相対論的透明化)。これにより、通常はレーザー光が侵入できない過臨界密度プラズマ中にもレーザー光が進入できるようになる。

レーザープラズマ加速器(LPA)は、レーザー光がプラズマ中で電子を押し分けて生じるプラズマ波(ウェークフィールド)の縦電場を利用して電子を加速する。従来の加速器と比べてはるかに高い電場(100 GV/m程度)を実現でき、コンパクトな相対論的電子線源として注目されている。近年は、数ミリジュールの極短パルス(光サイクル程度)を用いて、共鳴的ブローアウト領域に近い運転が示され、数MeVのピークエネルギーを持ち比較的狭い発散角の高電荷(10 pC超)電子ビームが得られている。この極限領域では、群速度分散やキャリアエンベロープ位相の影響がもはや無視できなくなる。

図は、一定の駆動パルスに対して無次元化レーザー振幅 a₀ を変化させたときのウェークフィールド励起の様子を示す。a₀が小さい間は電子密度応答は微弱だが、a₀が1を超える相対論的領域では電子密度に鋭いバブル構造が形成され、軸上の加速電場が急激に増大する様子が見て取れる。このように、相対論的強度への到達がウェークフィールド加速の成立条件を直接左右する。

イオン加速については、標的法線シース加速(TNSA)、放射圧加速(RPA)、衝突レス衝撃波加速など複数の機構が提案されており、実際の相互作用ではこれらが混在して起こる。現在までに、陽子で約100 MeV、炭素イオンで約50 MeV/uの加速が複数のレーザー施設で実証されており、単一ショット線量が20 Gyを超えるパイロット的なイオン線治療実験も報告されている。ただし、得られるイオンエネルギースペクトルは一般に指数関数的に減衰する形をとり、多くの応用が要求する準単色性(エネルギー幅1%程度)の実現は依然として未解決の課題である。

慣性核融合におけるレーザープラズマ相互作用

慣性核融合(ICF)では、レーザー光を燃料カプセルに直接照射する直接駆動と、高Zのホールラーム内壁でX線に変換して間接的に駆動する間接駆動のいずれかによって爆縮を進める。いずれの方式でも、コロナプラズマ中で起こるレーザープラズマ不安定性(LPI)が爆縮性能を左右する最大の不確実性の一つとなる。

間接駆動では、ホールラーム内部に作られたプラズマによる入射光の散乱が当初から懸念され、SBS・SRS・フィラメンテーションの理解が設計段階から進められた。点火スケールのホールラーム実験では、これらの不安定性を制御してカップリングを最大化できるだけでなく、初めて駆動対称性の制御に有益に利用できることが示された。一方、直接駆動では、コロナプラズマの条件によって支配的な不安定性が大きく変わることが明らかになっている。密度スケール長150 µm・電子温度2 keV程度の準点火スケール実験では、臨界密度の1/4付近で起こる二プラズモン崩壊が支配的でSRSの証拠は乏しかったのに対し、密度スケール長500 µm・電子温度4.5 keVの点火スケール実験ではTPDは観測されず、絶対SRSが支配的となった。さらに、散乱光が密度勾配に垂直に伝搬する誘導ラマン側方散乱(SRSS)は、1/4臨界密度付近で絶対化し、通常の後方散乱より低い閾値を持ちうる。実際、双円錐点火(DCI)スキームの実験ではSRSSとTPDの共存が観測され、SRSSの散乱エネルギー損失は最大6%に達した。このようにLPIの様相はコロナ条件とビーム配置に敏感であり、新しい核融合スキームの設計には、その条件下での専用実験による特性評価が不可欠である。

衝撃点火のように、圧縮後に強いレーザーパルスで衝撃波を起こして点火するスキームでは、より高い強度での相互作用が必要となるため、SRSとTPDの共存が観測されるなど、LPI制御の難易度がさらに上がる。また、強い外部磁場によるレーザープラズマ膨張の閉じ込めや、焼成加速されたプラズマ中のレイリー・テイラー不安定性のモデル化など、爆縮の流体力学とミクロなレーザープラズマ過程の接続も活発に研究されている。

粒子内シミュレーションによるモデル化

レーザープラズマの非線形・非平衡な動力学を理論的に解析することは難しく、粒子内(PIC)シミュレーションが本質的な役割を果たしてきた。PIC法は、電磁場を格子点上で更新し、粒子を運動方程式に従って追跡する手法で、レーザープラズマ研究の黎明期から用いられてきた。初期の電磁場コードは、イー(Yee)のスタッガード格子とリープフロッグ更新、ボリス粒子プッシャーを組み合わせたもので、その一般特性はよく文書化されている。

現代のPICコードは、これに高次の粒子形状関数、ポアソン保存型の場の更新、衝突、電離、固体密度用のハイブリッドスキーム、高強度場でのQED効果などの物理パッケージを追加している。計算能力の向上により、実物の質量比を用いた完全三次元動力学や、複数のレーザースペックルの同時相互作用のシミュレーションが可能になった。PIC法の応用は、SRSの解析、短パルスレーザーと固体との相互作用、高速電子の輸送、QED効果など多岐にわたる。

PICシミュレーションは、新しい加速スキームの提案と検証にも不可欠である。例えば、ペタワットフェムト秒レーザーをテープ標的に照射して準単色陽子ビームを得る「ピーラー」スキームでは、標的前縁から剥ぎ取られた大量の電子が標的側面に沿って超ポンダーモトブ運動エネルギーまで加速され、標的背面に注入されることで、縦方向のバンチングと横方向の集束電場が自発的に形成される。このようなスキームの実現可能性の評価は、二次元・三次元PICシミュレーションによって進められている。また、空間・時間構造を制御したパルス(フライングフォーカス型の駆動パルス)を用いて、焦点速度を群速度から独立に制御し、デフェージングを回避するウェークフィールド加速の提案もなされており、その検証にもPICシミュレーションが用いられている。

PIC法は強力な一方、計算コストが莫大であり、特に完全三次元・実質量比・衝突・電離を含むシミュレーションは、レーザー核融合の標的設計に必要なマクロな流体シミュレーションとは依然として大きなスケールギャップがある。このミクロとマクロのマルチスケール接続は、レーザープラズマ物理の残された中心的課題の一つである。