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レーザー光と干渉

　レーザーは Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation（放射の誘導放出による光増幅）の頭文字をとったもので、誘導放出を利用して光の増幅と発振を行なう装置です。ホログラムを記録するためにはこのレーザーから出てくる光を使います。この光は1960年に初めて実現した人工的な光です。
　光は波（電磁波）の一種であり、普通に自然界に存在する太陽光にしても電灯光にしてもたくさんの波長の成分をもっており、しかも波の山と谷が不揃いの光です。これに対し、レーザー光は発振波長幅が極めて狭くほとんど一つの波で単色であり、どこをとってみても山と谷が揃っています。このことを位相が揃っているといい、このような光のことをコヒーレントな光といいます。

　コヒーレントな光が普通の光と異なる大きな特長は、このような光が重なると干渉を生じることです。干渉というのは、波の山と山が重なれば強め合い、山と谷が重なれば打ち消し合う現象のことで、水の面に小石を2つ同時に投げたときできる波紋にも見られます。また、レースのカーテンのような細かい格子状の構造が重なったときモアレとよばれる粗い縞模様が現れるのをご存知だと思います。
　同様に、レーザー光を２つに分けた後再び重ねあわせると、２つの光の干渉によって縞が現れますが、これが干渉縞です。この干渉縞のできかたはでたらめではなく、その間隔と向きは光の波長と2つの光が相対的にどのような角度で重なったかによって決まります。この性質こそ、物体からの光がどのような方向からホログラムにやってきたかを記録できる手段となります。
　参照光と物体光が干渉するための光路差がどこまで許されるかの目安となるコヒーレンス長は発振波長幅に反比例し、それはレーザーの種類と構造によります。

　レーザー光は単色であると同時に、非常に指向性が良くほとんど広がらずあたかも非常に遠くにある点光源からでた光と同じです。したがって、レンズで集光すれば非常に小さな点に集光でき、そこでの強度は非常に強くなります。これを利用してレーザーを使った核融合が行なわれています。一方、レーザーの光を直径１ｍに拡げて３８万キロメートル離れている月に向けて発射すれば、月面ではわずか数１００ｍの直径に拡がるだけです。

　レーザー光の断面強度はガウシアン分布とよばれる分布をしており、中心が強く周辺になるほど弱くなります。この光を対物レンズなどで拡大しても、その分布は同じです。したがって、均一な濃度のホログラムを作製するためには、参照光を適度に拡げてその中心部を使うことになります。

レーザーの種類とその特徴

ホログラムの記録に使用される主なレーザーの種類とその特徴は以下のようです。

ヘリウム−ネオンレーザー (He-Ne laser)

　気体レーザーのなかでは最初に発振したレーザーであり、安定した出力が得られ長寿命であるため、ホログラフィ用として最も広く使われています。連続発振の赤い光が得られ、波長は６３２．８ｎｍです。出力は小型のもので０．５ｍＷから大型のもので７５ｍＷ程度です。大型のレーザーの場合のコヒーレンス長は２０ｃｍ程度です。

アルゴンイオンレーザー (Ar⁺ laser)

　緑から青にかけて数本の発振線をもちます。とくに５１４．５ｎｍ（緑）と４８８．０ｎｍ（青）の２つが強いため、重クロム酸ゼラチンやフォトポリマーにホログラムを記録する場合や、カラーホログラムの記録に有効です。レーザー管に流す放電電流が大きいため、これを冷やす必要がありますが、全ての発振線を合せたトータルの出力は空冷式で数１０ｍＷ、水冷式の場合は１Ｗから数Ｗ程度と強いです。
　ホログラムは単一の波長の光を使って記録するため、光共振器のなかにプリズムを入れその角度を変えることによって波長を選択します。コヒーレンス長は数ｃｍと短いため、ホログラムを記録するためには、光共振器のなかにエタロンとよばれるもう一組の短い光共振器を挿入する必要があります。エタロンを挿入することにより出力は半分程度に減少するが、コヒーレンス長を２ｍ程度にすることができます。

クリプトンイオンレーザー (Kr⁺ laser)

　構造的にはアルゴンイオンレーザーとほとんど同じです。発振線は何本かありますが、６４７．１ｎｍ（赤）が最も強いため、クリプトンイオンレーザー光といえば通常この波長の光を意味します。カラーホログラムの赤成分の記録によく使われます。他に５６８．２ｎｍ（橙）、５２０．８ｎｍ（緑）の光もでます。エタロンが必要なことはアルゴンイオンレーザーの場合と同じです。

ネオジウム・ヤグレーザー (Nd:YAG laser)

　DPSS（半導体レーザー励起固体）レーザーとしてNd：YAGレーザーがあります。波長は５３２．０ｎｍ，出力は最大1０Ｗ以上あります。Nd:YBO₄レーザーも同じ波長を出します。アルゴンイオンレーザーの場合とは異なり、水冷の必要はありません。またリング型の光共振器にすることによってコヒーレント長は１５０ｍ程度になります。
　この波長は、カラーホログラフィー用の緑の光源として期待できます。連続して発振するレーザーの他に、非常に短いパルス発振するものもあります。

半導体レーザー (Lａｓｅｒ diode)

　このレーザーは、構造的に他のレーザーとはかなり異なっており、超小型軽量が特長です。P型半導体とN型半導体の接合に順方向の電流を流します。活性層とよばれるこの面で正孔と電子がたがいに引き合って結合するとき、誘導放出がおこります。活性層は数ミクロンと薄く、その屈折率は隣り合う層の屈折率よりわずかに高くなっており、このなかを光が全反射しながら往復します。半導体の両端面は正しく平行になっており光共振器の役目をしており、この端面からレーザー光が出てきます。その形状は長軸と短軸の比５：１程度の長楕円形をしており、長軸方向に偏光しています。プリズムを通すことにより形状を円形に成形することができます。
　発振波長は半導体の組成によって決まり、赤外あるいは６７０ｎｍや６３５ｎｍ付近の赤色が普通ですが、青色も出るようになりＤＶＤのプレーヤーなどに使われています。半導体レーザの種類によっては１ｍ以上のコヒーレンス長をもちます。
　このレーザーの特徴は流す電流の大きさや温度が変わると発振波長が変わることです。このことを利用すれば、２つの波長を使ってホログラムを記録して物体の等高線を得ることができます。

ヘリウム−カドミウムレーザー (He-Cd laser)

　４４１．４ｎｍ（青紫）と３２５．０ｎｍ（紫外）の光がでます。そのため、フォトレジストにホログラムを記録するための光源として使われます。フォトレジストは、エンボスホログラム用のマスターホログラムを作製するために不可欠な記録材料です。

ルビーレーザー (Ｒｕｂｙ laser)

　固体レーザーの一種で、人造ルビーの単結晶をレーザー媒質とするもので、これに強いキセノンランプの光を照射して励起することにより波長６９４．３ｎｍのパルス状の光が得られます。ルビーの単結晶は多少の不均一性があるためピンホールを入れて発振位置を調整します。また不規則な何本もの発振線があるためエタロン板を入れて使用します。これによりコヒーレンス長は数ｍになります。
 KDPなどの光変調器を光共振器のなかに組み込み、高速で透過率を変化させ短時間しか光が通らないようにする「Ｑスイッチング法」により、ピーク出力数ＭＷ、パルス幅１０〜２０ｎｓ程度の大出力、短パルス光が得られます。このレーザー光を用いれば、人物や動物のホログラムが作製できるほか、運動している物体も容易に記録できます。

　ルビレ−ザーより短いパルス光を出すレーザーとして超短パルスレーザー（ピコ秒レーザー、フェムト秒レーザー）があります。モードロックネオジウム・ヤグレーザーやチタンサファイヤレーザーがこれに相当します。１00フェムト秒のパルス光は長さにして真空中でたったの３０μmの幅の光です。このような超短パルス光を使ってホログラムを記録すれば「光の伝搬を見る」のところで紹介したような現象を捉える事ができます。