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光の伝搬を見る

　「工房作製のホログラム」のパルスレーザーホログラムのところで述べたように、ネオジウム・ヤグレーザーには数ピコ秒（１ピコ秒＝10^-12秒）の超短パルス光を出すものがあります。

  光は空気中で１秒間に約３０万キロメートル進みますので、３．３ピコ秒のパルス光は長さにしてたった１ｍｍの幅の光です。この光を使えば、参照光と物体光がホログラム面で同時刻に重なったときだけが干渉縞として記録されるため、ホログラムの横軸を時間軸として、物体光が時間分解されて記録されることになります。したがって、ホログラムの各部分からは、異なる時刻の像が再生されます。高速度カメラのホログラム版です。これにより、光が進んでゆく様子を見ることができます。

　光速度の測定は、１７世紀初頭のガリレオ・ガリレイに始まり、天体の運行、地上での回転歯車や干渉計測、さらにはレーザーを利用して行われてきましたが、伝搬の様子を動画像として観察できるように撮影したのは世界初です。高校物理でも学習する光の基本的性質である反射、屈折、回折をおこして伝搬する様子などが、あたかも水の面を伝わる波紋を見るように観察されました。この技術は、超高速現象の観察を可能にするために、物理学、化学、生物学における未知の超高速現象の観察・解明や各種工学分野の超高速計測・評価など幅広い分野への適用が期待されています。
 　この動画像の観察「光の伝搬を見る」に対し、平成１５年４月に、日本科学技術振興事業団、日本科学未来館から第７回ｻｲｴﾝｽ展示・実験ショーアイディアコンテスト奨励賞が授与されました。

シリンドリカルレンズ通って広がる光

　下の写真はシリンドリカルレンズを通った光が一旦集光し、また広がってゆく様子を示したものです。時間的に連続した通常のレーザー光をあてるとこのように見えるのが普通です。

　ところが、超短光パルスでホログラムを記録すれば、シリンドリカルレンズを通って進んでゆく光パルスの時間変化を見ることができます。  動画表示(88KB)は

電球をよぎって進む光

  下の写真は、電球に光パルスを当て記録したときのホログラムです。ホログラムを覗きながら眼を横に移動してゆくと、光パルスが電球をよぎって進んで行く様子が観察できます。

電球を通過して進む光の波面

　このホログラムは、下のような光学系で記録しました。奥にあるのはネオジウム・ヤグレーザーです。

屈折して進む光

  次は、ガラスブロックを屈折して進む光の様子を紹介します。下の写真は連続光が屈折する様子を示したもので、普通に観察できるものです。

　これを超短光パルスでホログラムを記録すれば、どのように見えるでしょうか？　動画表示(206KB)は

全反射しながら進む光

　今や世の中は ＩＴ、ＩＴとにぎやかですが、その根幹をなすのが光ファイバーを使った光通信です。そこでは情報を光パルスにのせ超高速で送ります。インターネットによって今このホームページを見ているあなたも、この恩恵に浴しています。光ファイバーの内部では、光は全反射しながら進みます。

  下の図は、光ファイバーではありませんが、屈折のときに使用した細長いガラスブロックの右端面から入射した光が全反射している様子を示しています。これは、連続発振しているレーザー光によってホログラムに記録したもので、通常眼にすることができるものです。全反射の様子は光ファイバーの場合と同じです。

　超短光パルスでホログラムを記録すれば、光パルスが全反射しながら進んで行く様子を見ることができます。動画表示(90KB)は

回折格子で回折されて進む光

　もう一つ紹介します。少し専門的になりますが、回折格子による光の回折の様子です。回折格子は分光器などに使用されていますが、これに平行な光が入射すると、下の図のようにいくつかの回折光が生じます。

　超短光パルスでホログラムを記録すれば、光パルスが回折して進んで行く様子を見ることができます。動画表示(125KB)は

　今までの光伝搬の動画はピコ秒パルスレーザーを使って記録したホログラムからの再生像でした。研究室にフェムト秒レーザーが入ってからは、これを使った光伝搬の研究をしています。その一つを紹介します。
　１本のレーザービームから多数の平行なビームを発生させる素子として、アレイイルミネータというのがあります。これは薄いガラス基板の片側に回折格子を付けた構造をしています。これに１３０フェムト秒のパルス光を入れたときの様子を動画で記録することに成功し、その成果が米国光学会が発行する電子ジャーナル誌Optics Express に2007年に掲載されました。論文の題目は「Observation of propagating femtosecond light pulse train generated by an integrated array illuminator as a spatially and temporally continuous motion picture」です。以下のホームページからその動画を見ることができます。ファイルと動画が無料ダウンロードできます。

　　　　　　http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-13-9-3296

　これまでに行なってきた実験は、ある平面に投射された光の伝搬を観察したものでした。現在、３次元の空間を伝搬するパルス光の観察に成功しています。