J. Plasma Fusion Res. Vol.96, No.12 (2020)７０３‐７０５

小特集 ターゲット表面プラズマ密度制御による電子・イオン加速の物理とレーザーパルスコントラスト制御技術

２．高強度レーザープラズマ相互作用におけるプリプラズマの影響
2. Pre-Plasma Formation and its Effects on Intense Laser-Plasma Interaction
岩 田 夏 弥，千 徳 靖 彦
IWATA Natsumi and SENTOKU Yasuhiko
大阪大学レーザー科学研究所（原稿受付：２０２０年８月２０日）

極短パルスレーザー光には，エネルギー増幅・パルス圧縮の過程でプリパルスと呼ばれるメインパルスに先行する光が生成される．プリパルスとメインパルスの強度比はコントラストと呼ばれ，レーザー光の特性を決める重要なパラメータである．特に，超高強度レーザー光の場合，メインパルスのピーク強度が高いため，高いコントラストを持つレーザー光でも，プリパルスは物質をプラズマ化するに十分な強度の光を内包する．そのため，メインパルスが到達する前にターゲット表面にプラズマ層が形成される．このプラズマ層の状態はメインパルスの吸収過程に影響するため，どの程度のプリプラズマが発生するか評価し，その状態を制御することが高強度レーザー光の応用には重要である．本章ではプリパルスの条件からプリプラズマを簡易的に予測する方法，さらにプラズマのスケール長がレーザー光の吸収過程に及ぼす影響を理論的な立場から解説する．
Keywords:
ultraintense-laser light, prepulse, preformed plasmas, laser absorption

２．
１ はじめに（プリパルスとは）ピーク強度に達する．主パルスの凡そ 100 ps 前に，ASECPA（Chirped Pulse Amplification）によりレーザー光の内のスパイク光やペデスタル光は物質をプラズマ化する閾

エネルギーを増幅し短パルス化することで，レーザー強度値強度を超えているため，100 ps スケールでプラズマは形は飛躍的に向上した．短パルスレーザーには，増幅・圧縮成されることとなる．また，駆け上り光は凡そ１ps 前に相の過程で生じるプリパルスと呼ばれる先行光が含まれる．

対論的強度（1018 W/cm2）を超えるため，J-KAREN-P レー

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特に，主パルスのピーク強度が10 W/cm 以上の高強度ザーのような超高強度レーザーパルスの場合，４０fs の主パレーザーの場合，プリパルス中に物質をプラズマ化する閾

ルスの相互作用のみを考えるのではなく，駆け上り光を含112値強度（Breakdown threshold〜10 W/cm ）を超える光めたレーザープラズマ相互作用が重要であることがわかっも存在する．その場合，主パルスが到達する前に，ターてきた［１］．この点に関しては本小特集第５章で西内氏がゲットの表面にはプラズマが形成され，主パルスとの相互解説する．

作用に影響を与えることもあり，どの程度のプラズマが形どの程度のプリパルス光でどの程度のプラズマが形成さ成されているか推定することが重要となる．そのため，主れるのか，また，形成されたプラズマがレーザー光の吸収パルスのピーク強度とプリパルスの強度比（コントラス過程に及ぼす影響に関しては本章の次節以降で解説する．

ト）は高強度レーザー光の重要な特性の一つとなってい２．
２ プリパルスによるプラズマ形成る．
QST 関西光科学研究所の J-KAREN-P レーザーのパルス

本節では低強度のレーザー光（図１のぺデスタル光のよ波形を図１に示す．J-KAREN-P レーザーはメインパルスうな）により形成されるプリプラズマのスケール長を見積と ASE（Amplified Spontaneous Emission：自然放射増幅もる．いま平均強度 !の光が $の時間照射されたとする．こ11光）の強度比が 10 と非常に高いコントラストを持つ．のレーザー光によりターゲット表面の表皮長

J-KAREN-P レーザーのコントラストの詳細に関しては，"!
#程度の領域が加熱される．ここで #$#$%!
$&!#$"*(')!#

本小特集第１０章で桐山氏の解説があるためここでは割愛

はレーザー波長，$&!はターゲットの電子密度，$%は入射する．J-KAREN-P レ ー ザ ー は，主 パ ル ス の ピ ー ク 強 度

レーザー光に対する臨界密度である．吸収率が "で与えら1021 W/cm2 以上，パルス長は凡そ４０fs である．レーザー光れる場合，表皮長内の電子の平均エネルギー（温度）"&は数百 ps の ASE から１００ピコ秒程度の土台部（ぺデスタは，"&!"!
$!
$&!#"*(')#よりル）を経て数十 ps で駆け上り（Rising Edge），主パルスのInstitute of Laser Engineering, Osaka University, Suita, OSAKA 565-0871, Japancorresponding author’s e-mail: iwata-n@ile.osaka-u.ac.jp

７０３!2020 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.96, No.12 December 2020

図２
図１

J-KAREN-P のパルス波形［１］．

レーザー光の強度と照射時間から予測されるスケール長L［μm］．電離度 Zi ＝ 1 で密度 ne0 ＝ 50 nc のアルミニウム
ターゲット，'
L ＝ 2.7 fs を仮定．

#!""$(# ' -)!
&)",))#! "#'(' -（１）

分布と高調波光を観測した［２］．図３（a）に実験のセットアップと計測器の配置を示す．レーザー吸収過程の評価とと な る．こ こ で ''"%'"' は レ ー ザ ー 周 期，)' は 光 速，して，発生する高速電子の角度・エネルギー分布と高調波(')は規格化ベクトルポテンシャルであり，(%*"'",))(を計測している．
（b）と（c）
は模擬プリパルスと主パルス$#

関係式 #",))-(( "#を用いた．加熱されたプラズマは音の間隔が 1 ps の場合と 10 ps の場合を示している．高分解""#""#速 !-")(で膨張し，指数関数的な&)"'*,)",))#)%*)(

能干渉計で計測した各ケースのプラズマのスケール長は密度分布を形成すると考える．'*と%*はイオンの電離度と$"%'"!
"&と %'""&である．図２を使えば 1 ps と 10 ps 前で質量である．膨張するプラズマのスケール長は $"!-'よ

プラズマのスケール長は $〜0.05 と 0.5 μm と予測され，実り際に彼らの実験で計測されたプラズマのスケール長と良く一致している．

%!""

$"
#$
(# '*,) -)!
$"%'!'"! "''# # %* -(（２）

ここで興味深いのは（b）と（c）のケースで，発生する高速電子の角度分布とエネルギー分布が大きく変化したこと，と求まる．ここでは吸収率 $は表皮長内で逆制動輻射過程

また，（b）のケースで観測された高調波発生が（c）のケーにより吸収されるエネルギーと入力 エ ネ ル ギ ー との比スでは消失したことである．高調波は急峻なプラズマ面に+-)!"")で 与 え ら れ る と し，$#"の 場 合 は$"&-())*+*,(おける，入射波とプラズマの周期運動によって発生する$""を用いた．&)*は電子―イオン衝突周波数である．

［３］．一般に $#%' が発生条件であるが，実際にどの程度図２に式（２）で与えられるスケール長 $をレーザー光のの $が要求されるかはわかっていなかった．Chopineau

照射時間 'と平均強度 #に対してプロットした．例えば，

等は模擬プリパルスの間隔を細かく変えることで，高速電図１のように #&10 W/cm （(&7×10子振る舞いや高調波の発生が変化する様子を計測した．

122−4）のぺデスタル

図４に高速電子と高調波のプラズマスケール長依存性を

光 の 照 射 が１００ピ コ 秒 続 く と す る と，ス ケ ー ル 長 は$'5 μm となる．主パルスはこのようなプリプラズマが形プロットしている．スケール長$が!
!
%'以下では高速電子"成された状態で相互作用することになる．

はターゲット垂直方向（100 mrad）付近に発生す るが，!
%'以上では反射光の方向（−200 mrad）近傍に発生して!
&

２．
３ プリプラズマの吸収過程へ影響いる．これはレーザーの吸収過程が真空加熱（Brunel 吸

本節では固体ターゲットと超高強度レーザーの相互作用収）［４］から共鳴吸収に変化したことを示唆している．真空においてターゲット前面にあるプリプラズマがレーザー吸加熱は急峻なプラズマにレーザー光が斜め照射された時に収過程に与える影響を，仏国パリ大学のグループによるプ起こる吸収過程であるが，この実験から急峻なプラズマ面ラズマ計測実験を紹介し解説する．前節までに解説したよとは $$!
!
%' であることがわかった．高調波が $#!
!
%'#"うに超高強度レーザーのプリパルスはターゲット前面にプでは発生しなくなることからも，急峻なプラズマとはスラズマを形成してしまう．このプラズマの状態によりレーケール長が $$!
!
%' であることがわかる．
#

ザー吸収過程が変わり，ショット毎に実験結果がふらつく

２．
４ まとめなど実験の不確定性の原因になっている．
Chopineau 他のパリ大学のグループは高コントラストの超高強度レーザー光と物質の相互作用において，プリパ短パルス（20−25 fs）・高強度レーザー（2×1019 W/cm2）ルスにより形成されるプラズマの状態によってレーザーのとプリパルスを模擬する強度 1013 W/cm2 程度のレーザー吸収過程は変化してしまう．そのため，どのようなプリパ光を主パルスの前０−１５ps の範囲で，時間間隔を変えて照ルスが主パルスの前に存在するか，どの程度のプラズマが射した．これにより形成されるプリプラズマのスケール長形成されるかを見積もることは重要である．理論家としてを調整し，レーザーの吸収過程で発生する高速電子の角度実験解析を依頼されたときに，粒子シミュレーションを行
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Special Topic Article

2. Pre-Plasma Formation and its Effects on Intense Laser-Plasma Interaction

N. Iwata and Y. Sentoku

図３ （a）
レーザー実験セットアップ．ターゲットはシリカ．完全電離すると電子密度 6 × 1023
［1/cm3］．波長 800 nm のレーザー光，パル
ス幅 20 − 25 fs，強度 2 × 1019 W/cm2．レーザーの集光位置に別の弱いレーザー（エネルギーフラックス kJ/cm2）のプリパルス模擬光の照射タイミング（#）を変えて照射することで主パルスが相互作用するプラズマを制御する．ターゲット前面に飛び出す高速電子の計測（LANEX）と XUV 分光による高調波計測を行う．プリパルス模擬光によるプラズマは空間高分解能干渉計によりミクロン精度#＝ 1 ps（プラズマスケール長 L 〜 !L/15）
で計測．（b）のケースでの高速電子の角度分布・エネルギー分布と高調波発生の様子．高速電#− 10 ps
子はターゲット垂直方向（"x 〜 100 mrad）に強く加速され，また基準周波数の３０倍以上の高調波まで観測されている．（c）のケースでは，高速電子の発生は反射光の方向（"x − 200 mrad）に変わり，高調波は消失した．図は［２］より引用．
（L 〜 !L/1.5）

プラズマが発生していたのだろうと推定はできるが，それ以上でもそれ以下でもない．
今回，プリプラズマのスケール長を見積もるモデルを示したが，これを活用するためには，レーザー光の時間プロファイルの計測が必要となる．プリプラズマは実験条件を不確定にするだけでなく，プラズマの存在によりレーザー光の吸収率が高くなり，高エネルギー粒子の発生効率が高くなるなどの効果もあり，如何に制御するかが高精度な実験には必要であろう．本章の後でプリプラズマの効果や制図４

高速電子角度分布（a）と高調波（b）のプラズマスケール長 Lに対する依存性．いずれも縦方向中心（"y = 0）近傍のデータ．図は［２］
より引用．

御に関する解説が続くので本章はここで終わりとする．

参考文献

えば，観測されるプロトンのエネルギーや高速電子の平均［１］M. Nishiuchi et al., Phys. Rev. Res 2, 033081 (2020).
［２］L. Chopinea et al., Phys. Rev. X 9, 011050 (2019).
［３］N. M. Naumova et al., Phys. Rev. Lett. 92, 063902 (2004).
［４］F. Brunel, Phys. Rev. Lett. 59, 52 (1987).

エネルギーなど，シミュレーションで再現することはできる．ただそこではプリプラズマを調整しシミュレーション結果を調整していることを知ってほしい．シミュレーショ
ン結果が実験結果と一致すれば，実験でも同じようなプリ７０５