プラズマ手法に基づくクラスタ媒質と光子場の非線形相互作用の研究

本研究は、マクロないしセミマクロな集団運動の解析に適したプラズマ手法を基礎に、これにミクロな原子・緩和過程を取り入れることにより、レーザー場を含む様々な波長領域の光子場と、中性原子や様々の価数のイオン、電子が共存した気相や固相、クラスター相との複雑な非線形相互作用の素過程の理解することを目的とする。また、このような原子・緩和過程を含む複雑な物理過程を高い精度で模擬・検証することが可能なシミュレーションコード(EPIC3D)の開発を行い、高強度レーザーと物質との相互作用を利用した応用研究を展開する。本年度は、これまで高密度クラスター中に見出された波動励起とそれによる電離過程の物理過程を明らかにするため、シャープな境界を持った固体(あるいは固体薄膜)と短パルスレーザーとの相互作用において、レーザーが伝播しない固体内部での詳細な電離過程のダイナミックスを、EPIC3Dを用いて調べた。その結果、(1)この波動励起は、短パルスレーザーによって生成された高速電子によるプラズマ波のCherenkov放射であること(2)それらは局所的な乱流状態への発展し、その乱流電場はイオン化を引き起こしながら固体中を雪崩的に電離波として高速に伝播すること、(3)乱流電場のエネルギーは、粒子との運動論的相互作用を通して電子加熱に変換されること、(4)この乱流駆動による電離過程はレーザー強度に依存して多段的に起こること、また、高価数のイオンへの電離は電子衝突イオン化を通して熱伝導を伴いながら緩やかに伝播すること、等が明らかになった。物質の電離過程を伴ったこれらの複雑な相互作用は、近年研究が進展しているレーザーと薄膜相互作用を利用したイオン加速研究にも重要に役割を果たすことから、今後の応用研究の進展が期待される。

本研究は、マクロないしセミマクロな集団運動の解析に適したプラズマ手法を基礎に、これにミクロな原子・緩和過程を取り入れることにより、レーザー場を含む様々な波長領域の光子場と、中性原子や様々の価数のイオン、電子が共存した気相や固相、クラスター相との複雑な非線形相互作用の素過程の理解することを目的とする。また、このような原子・緩和過程を含む複雑な物理過程を高い精度で模擬・検証することが可能なシミュレーションコード(EPIC3D)の開発を行い、高強度レーザーと物質との相互作用を利用した応用研究を展開する。本年度は、これまで高密度クラスター中に見出された波動励起とそれによる電離過程の物理過程を明らかにするため、シャープな境界を持った固体(あるいは固体薄膜)と短パルスレーザーとの相互作用において、レーザーが伝播しない固体内部での詳細な電離過程のダイナミックスを、EPIC3Dを用いて調べた。その結果、(1)この波動励起は、短パルスレーザーによって生成された高速電子によるプラズマ波のCherenkov放射であること(2)それらは局所的な乱流状態への発展し、その乱流電場はイオン化を引き起こしながら固体中を雪崩的に電離波として高速に伝播すること、(3)乱流電場のエネルギーは、粒子との運動論的相互作用を通して電子加熱に変換されること、(4)この乱流駆動による電離過程はレーザー強度に依存して多段的に起こること、また、高価数のイオンへの電離は電子衝突イオン化を通して熱伝導を伴いながら緩やかに伝播すること、等が明らかになった。物質の電離過程を伴ったこれらの複雑な相互作用は、近年研究が進展しているレーザーと薄膜相互作用を利用したイオン加速研究にも重要に役割を果たすことから、今後の応用研究の進展が期待される。