誘導ラマン散乱

誘導ラマン散乱（stimulated Raman scattering, SRS）とは、レーザー光がプラズマ中で電子プラズマ波（ラングミュア波）を励起しながら別の光に変換される、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（ポンプ光）の光子が「散乱光の光子＋プラズマ波の量子」に分解する過程が、散乱光とプラズマ波の両方が増幅される形で自発的にではなく誘導的に起こる点が特徴で、レーザー核融合の標的照射においては後方散乱光によるエネルギー損失や高エネルギー電子の発生という形で深刻な問題となる。一方で、この増幅作用を逆に利用して短パルスレーザーを増幅するラマン増幅器の構想や、天体プラズマ中のメーザー線の増幅など、応用・自然現象の両面で重要な過程である。

基本機構：三波パラメトリック結合

SRSを理解する出発点は、ポンプ光（周波数 ω₀、波数 k₀）が散乱光（ωₛ, kₛ）と電子プラズマ波（ωₚ, kₚ）の二つの「娘波」に崩壊するという描像である。この過程はエネルギーと運動量の保存則、すなわち ω₀ = ωₛ + ωₚ、k₀ = kₛ + kₚ を満たすときに共鳴的に増幅される。電子プラズマ波の周波数はほぼ局所プラズマ周波数 ωₚₑ で決まるため、SRSが起こるのは ωₚₑ < ω₀/2、つまりレーザーの臨界密度の4分の1以下の密度領域に限られる。これはSRSを特徴づける最も基本的な密度条件であり、4分の1臨界密度近傍では二プラズモン崩壊との競合・共存が問題になる。

増幅の機構は次の通りである。ポンプ光の電場はプラズマ中の電子を振動させ、密度揺らぎと結合することで散乱光を駆動する。散乱光とポンプ光のうなり（ビート）は逆に電子プラズマ波を駆動し、プラズマ波はさらに散乱光を強める。この正帰還により、散乱光とプラズマ波は指数関数的に成長する。成長率はポンプ光の強度（電子の揺動速度 v_os に比例）とプラズマ波の減衰率で決まり、プラズマ波のランダウ減衰が強い高温・低密度の条件ではしきい値が上がる。散乱光がポンプ光と逆向きに進む後方散乱では kₚ ≈ 2k₀ となって結合が最も強く、実験で観測される散乱光の大部分を占める。

レーザー核融合の実験では、この散乱光は入射エネルギーの数割に達しうるほど強く、ターゲットへのエネルギー輸送効率を直接損なう。さらに散乱光のスペクトルからプラズマ波の性質を診断できるため、SRSの反射率と散乱光スペクトルはレーザープラズマ相互作用研究の中心的な観測量となっている。

後方・前方・側方散乱の幾何学

SRSはポンプ光に対する散乱方向によって性質が大きく異なる。後方散乱（BSRS）では散乱光がポンプ光と正反対に進み、プラズマ波の波数が最大（約2k₀）になるため成長率が最も高い。前方散乱（FSRS）では散乱光がほぼ同方向に進み、プラズマ波の波数が小さくなる。波数が小さいプラズマ波は位相速度が大きく電子の捕獲を受けにくい一方、成長には長い距離を要する。側方散乱（sidescattering）はポンプ光と垂直近くの方向に散乱するもので、プラズマ密度こう配に沿った方向へ成長しやすく、広い角度範囲にわたってエネルギーを放出するため、後方散乱ほど目立たなくても総損失は無視できない。

どの方向の散乱が支配的になるかは、三波結合の波数ベクトル図（マッチング条件を満たす方向）とプラズマの不均一性で決まる。二次元シミュレーションでは、縦電場の波数スペクトルにFSRSとBSRSに対応する二つのピークが同時に現れ、それぞれのモードが時間とともに成長していく様子が確認できる。

図は二次元粒子シミュレーションで得た縦電場の波数スペクトルで、(a) には成長率等高線とFSRS・BSRSの波数ベクトルが、(b) には各時刻の縦方向平均スペクトルにFSRS（小さい k/k₀ 側）とBSRS（k/k₀ ≈ 2）のピークが現れている。このように前方と後方の散乱モードは同一のポンプ光から同時に励起され、それぞれ異なる波数のプラズマ波を伴う。

不均一性、デチューニングと飽和

実際のレーザー核融合プラズマは空間的に密度が変化する不均一プラズマであり、これがSRSの振る舞いを決定的に変える。三波共鳴は局所密度がマッチング条件を満たす点でのみ成り立つため、密度こう配があると娘波が共鳴点から外れる（デチューニング）ことで成長が打ち切られる。この効果で成長が対流的に飽和するのが線形和するのが線形飽和であり、しきい値以下では散乱光はプラズマ中を通過するだけで増幅されずに抜ける。一方、密度こう配が緩い場合や強いポンプでは、共鳴点に留まったまま増幅が続く絶対不安定性へと移行し、反射率が急激に跳ね上がる。レーザー生成プラズマでのSRSが絶対不安定性であることを示す実験的証拠が得られており、これが大規模装置での高反射率の原因とされる。

不均一性は飽和後の動力学にも影響する。密度こう配に沿ってプラズマ波の波数が時間とともに変化するとき、波の位相速度が連続的に変化する。特に密度が波の伝搬方向に向かって上昇する（上り坂の）こう配では、波数が減少して位相速度が増大し続けるため、電子プラズマ波に捕獲された電子がオートレゾナンス的に加速され、異常に高いエネルギーのホット電子が生じる。また、共鳴点を空間的に移動しながら自己共鳴を維持する「空間的に自己共鳴するSRS」や、チャープ（周波数掃引）を持つレーザーが共鳴条件との追い越し関係を通じて増幅を変調するなど、不均一性と周波数構造の組み合わせがSRSの成長・飽和を制御する鍵となることが分かってきた。

飽和機構としては電子捕獲による非線形周波数シフトのほか、励起されたプラズマ波自身がラングミュア崩壊不安定性を起こして別の波にエネルギーを渡す過程、そしてSRSの散乱光がさらに二プラズモン崩壊を起こしてエネルギーを奪う過程が知られる。後者は散乱光の崩壊がSRS自身を抑制するという意味で飽和機構としても働き、超高温電子（100 keV超）の発生経路とも結びつく。トムソン散乱によるプラズマ波の直接観測は、このような非線形過程による飽和を実験的に追跡することを可能にしている。

運動論的効果：捕獲電子とホット電子生成

SRSが励起する電子プラズマ波の位相速度は、プラズマ密度と温度で決まるが、レーザー核融合の条件では電子の熱速度の数倍程度になることが多い。このため波の電位を超えるエネルギーを持つ電子が波に捕獲され、波の谷に乗って加速される。捕獲電子は波の分散関係を変える（非線形周波数シフト）、すなわちプラズマ波の実効的な減衰を下げて成長を促進する方向に働き、SRS反射率を線形予測より大幅に押し上げる。捕獲された電子集団はさらに電子ビーム音響モードと呼ばれる新しい静電モードを支え、散乱光スペクトルのブロード化として観測される。

捕獲電子が波から離脱するときのエネルギーがホット電子の供給源となる。ホット電子は核融合燃料を予熱して圧縮を阻害するため、その生成量とエネルギースペクトルの制御がSRS研究の中心的な関心事である。位相速度が熱速度から遠い前方散乱のプラズマ波では電子は捕獲されにくく、SRS単独では超高エネルギー電子は生じにくいが、予熱された電子が別の波に再捕獲される経路や、上記の上り坂密度こう配による連続加速の経路が、SRSから異常に高いエネルギーの電子が生まれる機構として明らかにされてきた。また非マクスウェル分布（超熱的テール（suprathermal tail）を持つ分布）のプラズマでは減衰率と捕獲の条件が変わり、側方散乱の飽和レベルも変化する。さらに、SRSが駆動する電子プラズマ波がウェーベル不安定性のような磁場なし・ありのプラズマで新たな不安定性を誘起することも示されており、SRSは単一の三波過程にとどまらず二次的不安定性の連鎖の起点となる。

緩和と応用：帯域幅、磁場、ラマン増幅

SRS反射率を下げる方策として最も広く研究されているのが、レーザーに帯域幅を持たせることである。帯域幅のある光は瞬間的に見ると周波数が揺らいでおり、共鳴条件が常に満たされ続けないため増幅が抑制される。多ビーム照射では、ビーム間の周波数差を単一ビームのSRS成長率の3倍以上に取ると共通の電子プラズマ波を介したビーム間結合が抑えられ、さらに数パーセント以下の帯域幅を持つポリクロマティック光を用いると、共通モードが高温プラズマで強く減衰されて多ビームSRSとホット電子生成が非線形領域でも低レベルに制御されることが粒子シミュレーションで示されている。実験的にも、0.2%や0.6%程度の中程度の帯域幅を持つレーザーを用いると、単色光に比べてSRS・SBS・3ω/2（二プラズモン崩壊に由来する半高調波散乱）の反射率が低下し、ターゲットへのレーザー吸収率が向上することが確認されている。

図はレーザー帯域幅に対する各散乱の反射率(a)と、そこから求めたCHターゲットのレーザー吸収率(b)を示す。帯域幅を0から0.6%まで広げるにつれてSRSと3ω/2の反射率が減少し、吸収率が単色光に比べて上昇する傾向が読み取れる。帯域幅による緩和は後方散乱だけでなく広角に放出される側方散乱にも及ぶため、吸収効率の観点から帯域幅設計は直接駆動核融合の重要な要素となっている。

外部磁場による緩和も研究されている。ポンプ光に対して横向きの比較的弱い磁場を印加すると、大振幅電子プラズマ波に非線形減衰が生じ、電子捕獲による非線形周波数シフトが制限されて自己共鳴的な成長が阻害される。その結果、後方SRS反射率は線形の対流飽和レベルに抑えられ、捕獲電子による反射率の増大が回避される。軸方向に強く磁化したプラズマ中の円偏光レーザーのSRSや、磁化プラズマチャネル中の後方散乱、Xモードレーザーのうなり波のSRSなど、磁場の存在下でSRSの選択則と成長がどう変わるかも活発に調べられている。

一方、SRSの増幅作用を積極的に利用するのがラマンプラズマ増幅である。これは、長いポンプパルスと短いシードパルスをプラズマ中で対向させ、両者のうなりで励起される電子プラズマ波を介してエネルギーをシードパルスに移す手法で、固体増幅媒質の破壊しきい値を超える超高強度・超短パルスの増幅を原理的に可能にする。ただし増幅過程ではSRS、SBS、電子音響散乱が同時に競合して起こり、これらの共存が増幅の飽和機構となりうることが示されている。また、キャピラリーやクラスターを含むプラズマ、密度を正弦波的に変調したプラズマなど、媒質を工夫して大角度・強結合のSRSを実現する試みや、SRSの再散乱（ラマン再散乱）による後方散乱光の周波数フィルタリング、不均一プラズマでのモード変換を介した広帯域電磁放射など、SRSを制御・利用する研究は核融合以外の分野にも広がっている。さらに天体プラズマでは、水メーザー線の誘導ラマン散乱による増幅という形で、同じ物理が宇宙環境でも働きうることが議論されている。