【研究成果の内容】
今回、相対論的プラズマから放出されるX線のスペクトルを観測したところ、プラズマ発生のために入射したレーザー光の波長の整数分の一の波長を持つ高次高調波と呼ばれる輝度の強いX線が発生していることを実験的に確認した。高次高調波は入射レーザー光と同様にコヒーレントな性質を持つと考えられる。
従来の高次高調波の発生法は、瞬間的なレーザー出力が数百万〜数千万ワット級のレーザー光を原子や分子に集光して発生させるが、この方法では、例えば10 keVを越すような短波長の高次高調波を発生させることは原理的に困難であると考えられる。これに対し、今回発見した方法は、実験室規模のレーザー装置を利用して硬X線領域のコヒーレントX線が発生できることを示唆するものである。
今回の方法の特徴を説明するために、従来の高次高調波の発生機構(図１)と、その短波長化にあたっての問題点について説明する(図２)。まず、原子や分子に強力なレーザー光を当てると、レーザー光の電磁場によって、最外殻の束縛電子は加速され、いったん親となる原子や分子から離脱した後、再び親イオンへ帰還する。この時、ある程度の運動エネルギーを伴って帰還する電子が親イオンと相互作用する際に、その運動エネルギーに匹敵する電磁波を放射し、これが高次高調波となる。従って、高次高調波を短波長化（電磁波の光子エネルギーを増やすこと）するためには、帰還電子の運動エネルギーをできるだけ大きくする必要があり、そのためには帰還電子の加速に寄与するレーザー光をより強くする必要がある。
しかしながら、このレーザー光を強くし過ぎると、帰還電子の速度が大きくなり過ぎ、光の磁場の影響によって電子が帰還する軌道がレーザー光の進行方向へ曲げられ、親イオンへの帰還が不可能になる。すなわち、高次高調波の発生には、原子や分子を揺さぶるレーザー光の強さに上限があり、発生可能な高次高調波X線の波長に限界が生じる。例えば、波長1ミクロンのレーザー光を用いて10 keV (0.124nm) の高次高調波を発生するためには、3.3×1016 W/cm2の光の強さが必要で、帰還電子のレーザー進行方向への変位量が6.2 nm程度になると評価できる。この変位は原子の大きさよりはるかに大きく、一度親イオンから離れた電子は再び親イオンに戻れないため、10 keVの高次高調波の発生は困難になる。事実、この従来法では、現在までに3.5 keV (0.354nm) 程度までのX線が観測されたという報告はあるが、その強度は弱く、桁違いの高輝度化と短波長化は期待できない。
一方、今回の高次高調波発生法では、強いレーザー光と相互作用させるためのガスターゲットによって生じる相対論的プラズマを用いる。図３に示すように、この相対論的プラズマ中に、高密度の電子の集団が形成され、この電子の集団が強いレーザー光で揺さぶられて高次高調波が放出されたと考えられる。この方法では、従来法のように親イオンとの相互作用が起こらなくとも、レーザー光と電子の相互作用のみによって高次高調波が発生すると考えられる。すなわち、レーザー光による電磁場が十分に強く、相対論的な運動エネルギーまで加速された電子の集団が親イオンがなくとも光電磁場で急激な方向変更を伴う加速を受けることになり、それに伴って高次高調波が発生すると考えられる。従って、相対論的プラズマ特有の輻射減衰７）という現象（レーザー光の波長が1ミクロンの場合、光の強さは2.7×1023 W/cm2と見積もれる。）が生じるまでは、レーザー光を強くできると予想される。相対論的プラズマを励起するレーザー光強度を強くできれば、それに応じて発生する高次高調波の最大次数を高くできる。例えば波長1ミクロンのレーザー光を想定した場合、光の強度が5.5×1020 W/cm2で10 keVの高次高調波が発生すると推定される。また、今回の方法は、固体物質ではなくガス状のターゲットを用いるため、連続したX線の発生を想定した際に、固体物質を用いる場合に発生する飛散物（デブリ）やターゲット供給の困難さといった問題がないので実用化に適した方法である。
