誘導ブリルアン散乱

誘導ブリルアン散乱(Stimulated Brillouin scattering, SBS)は、レーザーなどの強い電磁波がプラズマ中で散乱光とイオン音響波の二つの娘波に崩壊する、三波共鳴結合によるパラメトリック不安定性である。入射光(ポンプ波)の周波数からイオン音響波の周波数だけずれた周波数の散乱光(ストークス光)が発生し、その差の周波数でイオン音響波が励起される。散乱光は通常入射と逆方向に強く発生するため、レーザー核融合では照射レーザーエネルギーの一部がターゲットに吸収されずに戻ってくる損失経路となり、レーザープラズマ相互作用研究の中心的課題の一つとされてきた。一方で、このエネルギー移動過程を積極的に利用してプラズマ中で短パルスレーザーを増幅する構想も進められている。

基本機構：イオン音響波への三波結合

SBSの本質は、ポンプ光と散乱光のうなり(ポンデラモーティブ力)がイオンを押し込んでイオン音響波を励起し、励起されたイオン音響波が密度の疎密格子として入射光を回折(ブラッグ散乱)させる、という正帰還である。共鳴条件は周波数と波数の保存則で与えられ、散乱光の周波数シフトはイオン音響速度 c_s で決まる。イオン音響波は電子プラズマ波(ラマン散乱の媒質)よりはるかに遅いので、周波数シフトは小さく、後方散乱では波数の符号が反転するためシフトが最大になる。このためSBSは後方散乱が支配的であり、核融合プラズマでは入射レーザーをそのまま反射して戻す形で現れる。

三波の共鳴関係は分散図上で読むと分かりやすい。電磁波は電子プラズマ周波数を漸近線とする分散曲線に乗り、イオン音響波は ω = c_s k の直線に乗る。ポンプ光の分散曲線上の点から、イオン音響直線を経由して散乱光の分散曲線上の点へ結ぶ折れ線が、許される崩壊チャネルを表す。