ラマン散乱

ラマン散乱とは、物質中を伝搬する光の一部が、その物質の固有の振動（あるいはプラズマ中では電子プラズマ波やイオン音波）にエネルギーを与えたり受け取ったりしながら、入射光と異なる周波数へと散乱される現象である。入射光に対して低い周波数側に散乱光が現れる場合をストークス光、高い周波数側をアンチストークス光と呼ぶ。この周波数のずれ（ラマンシフト）は散乱を起こすモードの固有振動数で決まるため、ラマン散乱は物質の同定や状態診断の手段となり、また高強度レーザーとプラズマの相互作用では増幅・不安定化という形で現れる。核融合研究においては、ラマン散乱はプラズマ加熱用レーザーとの相互作用で生じる主要なパラメトリック不安定性の一つであると同時に、プラズマ診断や炉内材料の事後分析に用いられる有力な分光手法でもある。

ラマン散乱の微視的な描像は次の通りである。入射光子が分子や結晶と非弾性的に相互作用し、分子を振動・回転準位へ励起した残りエネルギーを散乱光子が持ち去る。古典的には、入射光の電場が分子の分極率を振動で変調することで、振動数の和と差の成分を持つ分極が誘導され、これが新しい周波数の光を放射すると説明できる。散乱確率はきわめて小さく、通常の条件下では入射光10⁶〜10⁸個に対して1個程度がラマン散乱を受けるにすぎない。この自発的な散乱を自発ラマン散乱と呼び、その散乱光の強度は入射光強度に比例する。

散乱光のスペクトルは、散乱を起こすモードの対称性に応じていくつかの枝に分かれる。分子の回転状態が変わるS枝、振動だけが変わるQ枝などがその代表であり、枝ごとに現れるラマンシフトと相対強度が異なる。図は窒素分子を例に、Q枝・S枝・O枝の相対的な線強度が波長とともにどう分布するかを示したものである。Q枝が607 nm付近に鋭く強いピークを形成するのに対し、S枝とO枝はその両側に弱い線群として広がっており、ラマン信号全体（マゼンタの曲線）はこれらの線群を包絡する形になる。このような枝構造の知識は、後述する診断への応用で絶対校正の基準として直接使われる。

散乱光強度が入射光強度に比例する自発散乱に対し、入射光が十分に強くなると散乱過程が自らを増幅するようになる。これが誘導ラマン散乱である。入射レーザー（ポンプ波）とストークス散乱光の差の周波数が、媒質中の固有モードの振動数に一致すると、両者の干渉がつくるうなり（ポンド移動力）がそのモードを共鳴的に駆動する。気体や固体では分子振動が、プラズマでは電子プラズマ波がこれに当たる。増幅されたモードがさらにポンプ波を散乱してストークス光を強めるという正帰還が成立し、散乱光は入射光強度に比例ではなく指数関数的に成長する。この増幅率はポンプ強度とプラズマ密度に依存し、散乱光の成長が顕著になるしきい値が存在する。

レーザー核融合、とりわけレーザー直接駆動方式では、この誘導ラマン散乱は好ましからざる現象の代表格である。ターゲット表面のコロナプラズマ中でポンプレーザーのエネルギーの相当部分が後方散乱光や側方散乱光として失われ、加熱効率が低下するからである。散乱光の成長とともに電子プラズマ波も増幅され、その波から加速された高温電子がターゲットの予熱を引き起こす。このため散乱光の飽和機構、すなわち電子プラズマ波のランダウ減衰や非線形効果による成長の頭打ちが理論・実験の両面で盛んに研究されてきた。また、誘導ラマン散乱は誘導ブリルアン散乱（イオン音波を介する散乱）や二プラズモン減衰といった他のレーザープラズマ不安定性と互いに結合して振る舞うため、実際の評価では複数の不安定性を同時に扱う必要がある。

この不安定性を抑える手段として、レーザーのスペクトル幅を広げる方法が注目されてきた。単色レーザーではポンプ波と散乱波が一定の位相関係を保って増幅に寄与するが、帯域幅を持つレーザーでは各周波数成分の増幅条件がずれ、成長が抑制される。理論的には紫外波長で約1%の帯域幅があれば理想的な吸収が得られるとされ、0.1%から1%程度の「中程度の帯域幅」による不安定性緩和が実験的に検証されている。帯域幅を広げても後方散乱に比べて側方散乱の抑制効果は限定的であり、側方への広い角度分布を持つ散乱光によるエネルギー損失の評価が依然として課題である。

プラズマ中の誘導ラマン散乱は、不安定性として抑えるべき対象であると同時に、利用の対象でもある。その代表がラマン増幅である。これは、密度が臨界密度の数分の1程度のプラズマ中で強いポンプパルスと弱いシードパルスを逆向きに入射すると、誘導ラマン後方散乱を通じてシードパルスのエネルギーがポンプから移転され、パルスが圧縮・増幅されるという仕組みである。プラズマは破損しうる光学素子を一切使わずに超短強レーザーを作れるため、次世代レーザー光源の候補として研究が進んでいる。ラマン増幅は最短の圧縮パルスと最大の増幅率を与える一方、パラメータの揺らぎや周波数整合の精度に敏感であり、ポンプの前方ラマン散乱やフィラメンテーションといった競合不安定性が増幅パルスの品質を損なう。このため、ポンプにチャープを与える、縦方向の磁場を印加する、プラズマ密度を一様でなく台形状の分布にするといった工夫により、寄生ラマン散乱を抑えつつ増幅率とパルス品質を高める方法が数値シミュレーションで詳しく調べられている。密度分布を台形にすると一様な場合より増幅率が上がり、パルス包絡線も滑らかになることが示されている。また、プラズマによるラマン増幅は時間コヒーレンスの低いレーザーからノイズ的な成分を除去してコヒーレントなパルスを取り出す「ビームクリーニング」にも応用されている。

一方、ラマン散乱は核融合研究における診断手法としても重要な位置を占める。磁気閉込め装置では、トムソン散乱による電子温度・電子密度分布の測定が標準的な診断となっており、その絶対校正にラマン散乱が用いられる。トムソン散乱信号の絶対値は検出系の分光応答の校正に依存するが、従来のレイリー散乱校正は散乱光がレーザー波長のごく近傍に集中するため迷光の影響を受けやすく、回転ラマン校正も分光器の波長分散の制約を受けやすい。そこで、窒素などのガスの振動回転ラマン散乱を利用する絶対校正が開発されている。振動ラマン散乱光はレーザー波長から数ナノメートル以上離れた波長に現れるため迷光の影響を避けやすく、かつ散乱断面積や分光分布がよく知られているため、絶対感度の決定に適している。トカマク端部プラズマのペデスタル構造を測定する多チャンネルトムソン散乱装置で、この手法による校正が実施されている。

ラマン分光は、閉じ込めプラズマそのものではなく、プラズマ対向材料の分析にも使われる。核融合炉の運転後、第一壁材料の表面には水素同位体や炭化物が堆積・混入するため、試料を持ち出して分析する事後分析が材料の損傷評価やトリチウム滞留量の推定に不可欠である。ラマン顕微鏡法は、ベリリウムやタングステンといったプラズマ対向材料の表面酸化物、窒化物、炭化物の同定に感度が高く、複数の励起波長を使い分けることで表面から数十ナノメートルから数百ナノメートルの深さ方向の情報を得られる。イオン注入によって生じた応力やBe/C濃度の深さ分布を検出できることが示されており、将来のJETやITERの炉内材料分析に向けた基準スペクトルのデータベース構築が進められている。また、レーザーラマン分光を用いたプロセスガス分析システムは、核融合炉のトリチウム会計のためのリアルタイムガス分析への応用が検討されている。このようにラマン散乱は、レーザープラズマ相互作用では制御すべき不安定性と増幅の資源として、診断と材料分析では信頼性の高い測定手段として、核融合研究の幅広い場面に関わる現象である。