上海光機が国際で初めて超強渦レーザー電子直接加速実験の重大な突破を実現

中国科学院上海光学精密機械研究所の超強レーザー科学・技術全国重点実験室研究チームはこのほど、相対性理論ラゲール・ガウス（LG）レーザーを用いた直接レーザー加速（DLA）の実現可能性を国際的に初めて実験を通じて検証し、安定、低放射度、高精度の超高速電子ビームを生成した。この進展は伝統的なガウスレーザー直接加速技術の核心的ボトルネックを突破し、マイクロ粒子加速器、高エネルギー放射源などの最先端応用分野の反復的発展のために新たな道を切り開いた。関連成果は「Experimental Demonstration of Directionaland Collimated Electron Acceleration with Hollow Laguerre–Gaussian Lasers」と題し、Physical Review Letters 137、02501（2026）に発表された。

超高速フェムト秒レーザ技術の高速反復に伴い、レーザ強度は相対性理論レベル（強度＞10°W/cm²）に達した。このような極端な物理的条件下では、物質は完全にイオン化され、電子とイオンからなるプラズマが形成される。その中で、極めて軽量な電子はレーザー電界によって直接加速されることができ、この過程は直接レーザー加速（DLA）と呼ばれ、先進的な加速器、高エネルギー放射源、レーザー快点火、阿秒科学など多くの最前線分野の核心基礎であり、その技術突破は多くの学科の発展過程に直接関係している。

しかし、長い間、伝統的なDLA技術は1つの核心的な難題に閉じ込められてきた：この技術は主にガウスレーザーの縦方向有質動力によって駆動されているが、ガウスレーザーの横方向有質動力はガウス分布を呈しており、電子を横方向に排除することは避けられず、電子の安定加速を深刻に阻害し、DLA技術の実験室から実際の応用への歩みを大きく制限し、関連分野を悩ます「ネック」問題となっている。

研究チームは前期の超強LGレーザー発生と駆動加速研究に基づいて、革新的に構造化レーザー場を電子加速実験分野に開拓した。その中で、ラゲール・ガウス（LG）レーザーはその独特な中空強度分布と内在軌道角運動量（OAM）によって、電子の正確な操作にかつてない可能性を提供し、技術のボトルネックを突破する鍵となった。

実験結果により、左回転円偏光LGレーザーは光軸上に独特な縦電界を有し、横電界ビーム集束効果と結合し、安定した「真空キャビテーション」加速構造を形成した――この構造は古典的な尾波場加速中のプラズマキャビテーション構造と類似し、電子の安定、高効率加速に絶好の環境を提供した。

この成果は相対性理論LGレーザー駆動DLAの実験検証の空白を埋めるだけでなく、伝統的なレーザー加速技術の性能ボトルネックを突破し、電子ビームの安定性と正確性を大幅に向上させ、レーザー加速技術のアップグレードの反復に堅固な基礎を築いた。また、LGレーザ場における加速勾配はレーザ強度に比例し、後続段階の複雑なプラズマ環境とは無関係であり、この特性はミクロン級のミクロ加速構造を製造するために新たな道を切り開き、「ミクロ加速器」を概念から現実に向かわせることが期待されている。将来、技術のさらなる最適化に伴い、この技術は超高速物理、材料科学、医学イメージングなど多くの分野に広く応用され、関連学科の飛躍的な発展を推進することが期待されている。

参照先：上海光機が国際で初めて超強渦レーザー電子直接加速実験の重大な突破を実現上海光学精密機械研究所【引用：2026年7月8日】