阪大ら,高効率のレーザー駆動粒子加速を実現

大阪大学,ドイツのマックス・ボルン研究所,ロシアのサンクトペテルブルグ大学の研究グループは,複数のレーザービームの同時照射で現れる干渉パターンが粒子加速を増強することを世界で初めて実証した(ニュースリリース)。

レーザー加速は,特に固体薄膜を高強度レーザーで照射することで,高エネルギーのイオン加速が起こることが知られており,医療応用や構造物の非破壊検査等への応用が期待されている。

イオンエネルギーの増強には,レーザー光のプラズマ中での吸収率の向上が鍵で,これまで固体ターゲット表面を光の波長オーダーの微細な凹凸構造に加工する方法があった。しかしこのような微細構造は,強いレーザー光の照射の初期段階で破壊され,その効果が持続しなかった。

今回の研究では,LFEXレーザーの4本のビームを同時に同1点に重ね合わせて照射することで,物質表面に光の自己干渉パターンが発生し,微細加工の凹凸構造と同じ働きをすることを示した。干渉パターンはレーザーの照射中に持続的に形成されているため,レーザー吸収率が向上することがわかった。

その結果,発生する電子のエネルギーと個数が飛躍的に増加することを観測した。ビーム間の角度を最適化すれば,4倍以上の効率改善が見込まれるという。

レーザーの干渉という光の特性を活用した今回の成果は,1つの強いレーザービームよりも,総エネルギーが同じ複数の弱いレーザービームの同時照射の方が,レーザーからプラズマ粒子へのエネルギー変換効率が高くなることを示した画期的なもの。

今回の研究で示した光の干渉効果はレーザー照射中に持続するため,レーザーのコントラストや照射時間に依存せず,その効果を発揮することができる。また,干渉パターンはレーザーの照射角度など照射条件で制御することが可能であるため,レーザー駆動イオン加速や高輝度X線源のパフォーマンスの改善が期待できるとする。

研究グループは,今回の成果が医療応用や非破壊検査等に資する将来のハイパフォーマンスレーザーの開発に新しい方向性を示すものだとしている。

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