高エネルギーレーザー科学（こうエネルギーレーザーかがく）は、科学の分野の一つ。
超高強度レーザーを物質に照射すると、レーザーのきわめて強い電界によって物質は早期に電離する。高エネルギーレーザーと電離したプラズマとの相互作用は非線形的かつ相対論的（特殊相対性理論）になる。この現象の物理の解明や、応用分野を高エネルギーレーザー科学、あるいは高強度場科学や高エネルギー密度科学などと呼ぶ。
超高強度レーザーの出現 ルビーレーザー発振の成功以来、レーザーの出力はQスイッチやモード同期などの技術によって飛躍的に増大してきた。またMOPA (Master Oscillator and Power Amprifier) システムによって、高エネルギー化が図られてきた。
MOPAシステムでは、発振器と増幅器を多段に配置することで高出力を得ることができる。しかし、ナノ秒以下の発振器でのピーク出力はMW（Mega Watt、メガワット、106 W）からGW（Giga Watt、ギガワット、109 W）より高くなるため、光学素子の損傷閾値を超えてしまう。
1985年、ドナ・ストリックランドとジェラール・ムルのCPA（Chirped Pulse Amplification、チャープパルス増幅）の発明により、レンズなどの光学素子を損傷することなくこれまで以上の出力を得ることができるようになった。近年CPAによって得られる超高強度・超短パルスレーザーは、高速点火レーザー核融合実験（加熱・点火レーザー）に用いられるような大型装置のみならず、テーブルサイズの小型レーザー装置においても高いピーク出力を得られるようになっている。このようなレーザーの集光強度は1020 W/cm2を超える。
超高強度レーザーの物理 集光強度が1018 W/cm2を超える頃から、電子の速度は光速にほぼ等しくなる。これにより相対論的な現象がおきる。すなわち、電子の質量がローレンツ因子分だけ増倍され重くなる。
mは電子の静止質量で、γはローレンツファクターである。ローレンツファクターγは、次式で与えられる。
このようなレーザーと物質の相互作用はプラズマが主役となるが、相対論的な効果がはたらくことで古典論的な理論に修正が必要となる。例えば、プラズマ中をレーザー（電磁波）が伝播可能かどうかは密度（プラズマ振動数）によって決まっており、固体のようにカットオフ密度以上の高密度プラズマではレーザーは伝播できない。しかし相対論領域ではローレンツ収縮によって実効的なカットオフ密度が上昇し、古典論領域では伝播できないレーザーが伝播することがある。これを相対論的透明化（Relativistically-induced Transparency）と呼ぶ。また固体媒質ではレーザーのスキン長も相対論効果によって修正を受ける。
1019 W/cm2になると、光圧は1 Gbar（1 barは100 kPa）を超える。このようなレーザーで生じた高速電子が物質中を移動する際、制動輻射によって硬X線を発生する。この硬X線は、γ線と呼んでも差し支えない。
応用分野 超高強度レーザーを用いることで、前述の高エネルギー電子を始め、高エネルギーイオン、高エネルギーX線などのレーザープラズマ放射線が発生する。この放射線を利用した物理、化学、生物分野に新しい領域が創られようとしている。
イオン加速
超高強度レーザーの照射によって航跡場や無衝突衝撃波、磁気渦のような数ミクロンスケールでプロトンやイオンをMeVオーダーまで加速する非線形構造が現れる。それを活用することで、従来のような長大な加速ラインを必要としないコンパクトな粒子加速器への応用が期待されている。
X線源 次世代LSI製造のためのリソグラフィーをはじめ、X線レーザーなど光源として研究・開発が進められている。
核物理 レーザープラズマ放射線を利用した核励起や核反応により、中性子やポジトロンを発生することができる。。このような分野を一部の研究者らにより、「レーザー核工学」と呼ばれている。
参考文献
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．
外部リンク
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