高エネルギーレーザー科学

超高強度レーザー科学：新たな物理と応用のフロンティア

高エネルギーレーザー科学は、超高強度レーザーと物質の相互作用を研究する最先端の科学分野です。極めて強いレーザー電場によって物質を電離させ、非線形かつ相対論的な現象を引き起こすことから、その解明と応用は科学技術の発展に大きく貢献しています。この分野は、高強度場科学や高エネルギー密度科学とも呼ばれ、近年急速な発展を遂げています。

超高強度レーザー技術の進化

ルビーレーザーの発振成功以降、Qスイッチやモード同期などの技術革新によりレーザー出力は飛躍的に向上しました。MOPA（Master Oscillator and Power Amplifier）システムの開発も高出力化に大きく貢献しましたが、ナノ秒以下のパルスでは光学素子の損傷が課題となっていました。

この問題を解決したのが、1985年にStrickland博士とMourou博士によって発明されたCPA（Chirped Pulse Amplification、チャープパルス増幅）技術です。CPA技術は、レーザーパルスを時間的に引き伸ばして増幅し、その後元の時間幅に圧縮することで、光学素子の損傷を防ぎながら高強度なレーザーパルスを得ることを可能にしました。

近年では、CPA技術を用いた超高強度・超短パルスレーザーは、大型レーザー核融合実験装置だけでなく、テーブルトップサイズの小型装置でも実現されています。これらのレーザーは、10²⁰ W/cm²を超える集光強度を達成し、新たな科学技術の可能性を切り開いています。

超高強度レーザーの多彩な応用

10¹⁸ W/cm²を超える集光強度では、電子は光速に近づき、相対論的な効果が現れます。電子の質量はローレンツ因子によって増大し、光圧は1 Gbarを超えるほどになります。

このような超高強度レーザーによって生成された高速電子は、物質中を移動する際に制動輻射を起こし、硬X線（ガンマ線）を発生させます。この硬X線は、次世代LSI製造のためのリソグラフィー技術や、X線レーザー光源としての応用が期待されています。

新しい科学領域の開拓：レーザー核工学

超高強度レーザーは、高エネルギー電子、イオン、X線といったレーザープラズマ放射線を発生させます。これらの放射線は、物理、化学、生物学の様々な分野に新たな可能性をもたらしています。

例えば、レーザープラズマ放射線を活用した核励起や核反応によって中性子や陽電子を生成できるほか、将来的にはγ線レーザーの実現も期待されています。これらの研究分野の一部は、「レーザー核工学」と呼ばれ、活発な研究開発が進められています。

まとめ

超高強度レーザー科学は、基礎物理学の探求から、核融合エネルギー、医療、産業技術など、多岐にわたる分野に革命的な進歩をもたらす可能性を秘めています。今後も更なる技術革新と研究開発によって、この分野が社会に貢献していくことが期待されます。

参考文献

阪部周二 他，「超高強度レーザーを用いた放射線の発生」，日本原子力学会誌，vol.43，No.10，2001．
三間圀興 他，「高エネルギー密度プラズマ研究とその応用」，プラズマ・核融合学会誌，vol.75[suppl.]，1999．

関連機関

大阪大学 レーザー核融合研究センター
京都大学 化学研究所（先端ビームナノ科学センター）
Science and Technology Facilities Council
長岡技術科学大学極限エネルギー密度工学研究センター

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