相対論的レーザー

相対論的レーザーとは、集光強度が電子の相対論的効果が顕在化する水準に達した超短パルスレーザーであり、その光と物質（主にプラズマ）との相互作用を指す分野の中心的な概念である。強度の目安は約10^18 W/cm²で、ここではレーザー電場中での電子の揺らぎ運動エネルギーが電子の静止エネルギー（511 keV）に達するため、電子の運動がニュートン力学では記述できなくなる。この領域では、物質の屈折率が電子の相対論的質量変化を通じてレーザー強度そのものに依存するようになり、従来の光学にはない非線形現象が次々と現れる。レーザー技術の進歩により、現在ではテーブルトップ規模の装置でこの領域に到達でき、数光学周期・数十ミリジュールのパルスでも相対論的強度が得られるようになった。

相対論的強度領域

相対論的レーザーとは、焦点での強度が電子を相対論的に加速できる水準を超えたレーザーのことである。強度の尺度となるのは無次元振幅 a₀ で、これは電子がレーザー電場中で得る正味の運動量を mc で割った量であり、a₀ ≈ 0.85·√(I[10^18 W/cm²]·λ²[μm²]) で与えられる。a₀ ≳ 1 が相対論的領域であり、波長1 μmのレーザーでは約2×10^18 W/cm²に相当する。この強度を実現するには、エネルギーを短いパルスに圧縮する必要があり、典型的にはフェムト秒（10^-15秒）級のパルスが用いられる。チャープパルス増幅（CPA）技術の確立により、ピーク出力テラワット級からペタワット級の装置が世界各地に建設された。

相対論的強度では、レーザーと物質の相互作用の様相が根本的に変わる。電子は光圧（ポンダーモーティブ力）により電場の節から押し出され、イオンはほぼ動かないまま電子だけが急速に分離するため、固体表面は瞬時にプラズマ化しつつも固体密度を保つ「過稠密プラズマ」として振る舞う。このため、レーザーは臨界密度（波長1 μmで約10^21 cm^-3）を超える物質に直接侵入できず、相互作用は表面で起こる。一方、気体を電離してできる低密度プラズマ中ではレーザーが伝播でき、そこでも相対論的な非線形効果が多彩な現象を生む。

実験では、レーザー光の焦点強度分布と時間コントラストが性能を左右する。焦点は数μm四方に絞られ、その強度分布が加速される粒子の特性を直接決める。また、主パルスに先行するわずかな前置パルスやASE（増幅自然放出光）がターゲットを主パルス到達前に加熱・膨張させてしまうため、主パルスに対する強度比で表される時間コントラストが10^10程度あるかどうかが、鋭い固体表面を維持できるかの分かれ目になる。