- アルゴンイオンレーザー（Argon ion Laser）
- 発振モード（縦モード）
- 波長選択光学レイアウト
- アルゴンレーザーの応用
- 撮影光源としてのアルゴンレーザー光
- レーザーシャッター（AOM=Acoust-Optic Modulator）
- レーザーライトシート（LLS＝Laser Light Sheet）
- アルゴンレーザーの電源および水冷却設備
アルゴンイオンレーザー（Argon ion Laser）
緑色の強い連続発振をするレーザー光である。
アルゴンレーザーは、ルビーレーザーを発振させたメイマンと同じヒューズエアクラフト社の研究所のWilliam B. Bridges によって1964年に発明された。
アルゴンガスを発振媒体としてレーザーが開発される過程の中で、アルゴンイオンレーザーの前に水銀を使ったレーザーが開発された。
水銀レーザーは、1964年米国Spectra Physics社のEarl Bell によって発明された。
水銀は光源として至る所で使われる金属で、蒸気になりやすく元の金属状態に戻りやすいことからヘリウム・ネオンレーザーが発振された後の次なるレーザーとして研究の対象になったものと思われる（フラッシュランプでもキセノンランプの前は水銀が使われていた）。
水銀レーザーは、567nm（緑）と615nm（赤）のふたつの発振線が出力される。
しかし水銀レーザーは連続発振ができず、バッファガスとして封入されたネオンやアルゴンの放電が起きた後のアフターグロー放電で発振した。
発振出力も20mW程度であったといわれている。
このことからイオンレーザーの研究開発は、バッファガスを直接励起させる研究開発に移っていき、アルゴンガスをプラズマ状態にして励起させるという手法が考え出されていった。
不活性ガスのほうが振る舞いが安定しているのであろうか。
いずれにしてもアルゴンを使うことにより安定したより強力な連続可視光レーザーが得られるようになった。
ちなみに、（ヘリウム・ネオン）ガスレーザーから派生したレーザーとして、水銀レーザーの開発の後、アルゴン、クリプトンなどのガスイオンレーザーとは別に、カドミウム、セシウム、銅、金を用いた金属蒸気レーザーが開発された。
これらのレーザーについては項を改めて紹介したい。
アルゴンレーザーは、高速度カメラの撮影ではシュリーレン、シャドウグラフ光学装置の光源として最もよく使われているレーザーである。
アルゴンイオンレーザーは、ヘリウム・ネオンガス同様ガスレーザーに属している。
ヘリウム・ネオンレーザーが中性原子を使用して電子の衝突によってポンピングを行っているのに対し、アルゴンイオンレーザーは、アルゴン原子をイオン化してエネルギを受け渡しやすくし、励起エネルギの放出で発振させている。
イオン化しやすいガスは、総じてレーザー発振の可能性があるが、実用化されているのはアルゴンとクリプトンの2種類である。
イオン化しやすいといってもアルゴンやクリプトンは非常に安定したガスなのでイオン化するためには原子をプラズマ状にする必要があり、プラズマを作るチューブには高電圧、高温場を作りだす構造が必要で、この中で希ガスを気体放電によってプラズマ状態にさせる。
このため、イオンガスレーザーでは電源装置がかなり大がかりなものとなる。
レーザーチューブは高温に耐えられる材質（ベリリア（BeO）セラミクスチューブ）で作られている。
レーザーチューブに封入されたアルゴンガスの放電によって、λ=488.0nmと514.5nmの2本の主スペクトル線が発振する。
ゲインが高いため発振条件が作りやすく、たくさんの発振ラインがあり、増幅も楽なのでレーザー出力を高くすることができる。
発振出力は、複数発振の合計で（マルチモード）で50mWから25Wまでとなっている。
25Wという光は非常に強い光である。
わずか1mm径のビームに25Wのエネルギが凝縮されているわけであるから危険ですらある。
地上に降りそそぐ太陽光は、1m2に300～1,000Wのエネルギを照射している。
この光エネルギは、しかし1mm径では0.2m～0.7mW程度である。
アルゴンレーザーはそれよりも100,000倍も強い。
当然、そのレーザー光を直接紙に当てれば燃えてしまう。
50mm口径の虫メガネを使って太陽光を1mm程度に集光させても50mW程度にしかならない。
この光でも紙は燃える。
アルゴンレーザーは虫メガネで集光した太陽光よりも500倍も強いのである。
これはかなり危険な光である。
発振モード（縦モード）
イオンガスレーザーチューブ内のガス温度は、ガスがプラズマ状になっているため高温になっている。
このためイオン化された原子は高速で移動するようになり、その原子から放射される光はドップラー効果によって基本発振波長を中心として広い波長幅を持って発振される。
この光は、面白いことに実際は連続した光とはならずに飛び飛びの波長となる。
誘導放出光は、原子の運動によってドップラーシフトした光となって連続した波長で放射されるが、レーザーチューブ（キャビティ）の共振構造によりキャビティの発振周波数に合った光しか発振されず、飛び飛びの光となって現れる。
これが、レーザーのカタログに出ている縦モードと呼ばれているものである。
縦モードはレーザーキャビティの長さdによって決まる周波数で、以下の式で求められる。
f＝m（c/2d）
f：縦モード周波数
m：整数
ｃ：光速
ｄ：レーザーキャビティの共振長（ミラー間の距離）
この式からd＝1mのとき、f＝150MHzが求まる。つまりこの共振器では150MHzの倍数を持つ光しか発振できないことになる。
dが大きいと（キャビティの長さが長いと）縦モード周波数が小さくなるから発振できる光は細かくなり、逆にdの値が小さいと周波数が大きくなって単一発振ができるようになる。
単一発振を行いたい場合は共振器の長さを短くすれば良いことになるが、短くすると発振のための増幅がとれずレーザーそのものが発振しない可能性が出てくる。
縦モードが論議されるのは極めて狭い発振波長が欲しいときに限られる。
ガスレーザーは、上記のようにある幅を持って光が発振され、おまけに飛びとびの光となっていることが理解できたが、その間隔はどの程度であろうか。
たとえば、488nmの発振波長に対してアルゴンが高温でプラズマ状になっている場合、アルゴンの運動速度は2,000m/s 程度であり光速の300,000,000m/s に比べればは
るかに遅い速度である。
ガスの運動によるドップラシフト周波数は、
f = f0［1±（v / c）］
f ：ドップラー効果によるレーザー発振周波数のシフトした周波数（Hz）
f0：レーザーの基本発振周波数
v ：レーザーガスの運動速度
c ：光速
で示され、v/cの値は、0.000007となりほんのちょっとの波長がずれた光が出ることになる。
そのずれは、488.0nmの中に全部入ってしまう程度の幅の光ということがわかる。
周波数でいうと、f0が6.15×1014Hzで、これを中心としてシフトする周波数は4,100MHzとなることがわかる。
この周波数の幅でレーザーが発振されるわけであるが、レーザーのキャビティの長さによって飛び飛びの波長を得るためアルゴンイオンレーザーの場合その間隔が156MHzとなり、レーザー発振光の中に6.15×1014Hzを中心に約26本の櫛形の光が発振していることになる。
波長を厳密に取り扱わなければならない分野では、この波長幅での発振も許されないので、櫛形をした発振波長をさらにひとつに選別して取り出すことが行われている。
これが以降に示すエタロン板という光学フィルタである。
波長選択光学レイアウト
アルゴンイオンレーザーは、ヘリウム・ネオンレーザーと違ってたくさんの発振波長があり、これが時には不都合なことがある。
そのために必要な波長だけ選択して出力させる光学装置をレーザーの中に組み入れる必要がある。
すべての光を取り出す方式を全発振動作という。
特定の波長線だけを取り出すには全反射ミラーの前にプリズムを置いて光を分散させ希望する波長が取り出せるようにプリズムの角度を調整する。
（1）エタロン（Etalon）
このプリズムの間にさらにエタロン板を加えることによりさらに狭い範囲の発振波長（単一縦モードのレーザー光）を取り出すことができる。
エタロン（Etalon）というのは干渉フィルタの一種で、非常に精度の良い波長選択透過を行うことができる。
干渉フィルタというと光学ガラス表面に誘電体膜を蒸着させるコーティングフィルタを思い描きがちであるが、エタロンは両面を極めて精度良く研磨した平行ガラス板である。
その平面精度はλ/10～λ/100（波長の1/100）といわれている。
これは、ナノメータのオーダでの研磨を必要とする精度である。
この極めてきれいな面を持つ光学ガラス板は、ファブリ・ペローの光学条件を満足した干渉計となる。
ファブリ・ペロー（Fabry-Perot）とは、フランスの物理学者Charles Fabry（1867～1945）と、同国物理学者 Alfred Pero（t 1863～1925）の2人の人物の名前で、彼らは1896年に干渉原理を開発した。
この干渉計は、マイケルソンの干渉計を改良したもので精度を格段に向上させたものである。
ファブリ・ペロー干渉計は、2面の鏡面の向かい合わせた面を非常に精度良く研磨し高い反射率とわずかな透過率を持った光学系を構築して両面を精度良く平行に配置したものである。
一方から入射した光は、両鏡面間を何度も反射往復して干渉を起こし特定の光だけが透過するようになる。
レーザーのキャビティを構成する反射鏡も一種のファブリ・ペロー干渉光学系といえる（ただし、レーザーの共振器は、一方の反射鏡が完全反射鏡で光は共振器内部で作られる）。
ファブリ・ペローは、レーザーの世界に多大な貢献をした。
ファブリとペローが名付けたエタロン板は、精度の良い平行ガラス板で構成されたもので両面の厚さ精度と面精度が非常に重要になっている。
エタロンの一方から入射した光はエタロン内部で多重反射し、その干渉によって両面の鏡面間距離が波長のλ/2の倍数をもつ光だけを透過するようになる。
エタロンは、一枚の板でファブリ・ペローの干渉条件を満足させたものである。
エタロン板を入射光に対して回転させるとエタロン板内部の光学パスが変わるために、取り出される光の波長も変化する。
アルゴンレーザーの応用
アルゴンレーザーの大きな特徴は、緑の連続した光がかなり高密度に出力されることである。
コヒーレントな光という点では先の赤色レーザー、ヘリウム・ネオンレーザーに劣り、干渉を利用した応用の中の精度を要求したものには向いていない。
アルゴンレーザーは、緑色の発振をすることから医学分野で利用されてきた。
そのひとつが眼底の治療に使われる「光凝固法」と呼ばれる分野である。
光凝固法は、1964年にルビーレーザーの694nmの光を使って実用化された。
光凝固法そのものは、1950年にクセノンランプを使って開発された。
光凝固法というのは、ちょうど目玉焼きを焼くような原理で、タンパク質を高熱によって変質、凝固させる手法である。
この手法は、眼底の腫瘍や剥離した網膜、糖尿病性網膜症などの浮腫の治療に細い光ビームを眼科用顕微鏡や光ファイバを利用して照射し、その熱により患部を凝固させる手法である。
アルゴンレーザーの緑の光は目の水晶体をよく透過し、網膜組織に光が吸収されやすいので好都合であった。
また、ガン細胞の早期発見としてアルゴンレーザーの緑の光をファイバを用いて検査細胞に照射すると可視化が容易にできたので内視鏡と組み合わせて使われていた。
アルゴンイオンレーザーはこの他に、UVラマン分光、フォトルミネッセンス、高速度カメラ用光源、フローサイメトリ、励起レーザー用光源など、任意の波長を要求する場合や高エネルギを要求する分野に使われている。
撮影光源としてのアルゴンレーザー光
アルゴンレーザーは緑色の可視光で強い光であるため、高速度カメラを使った光源として利用されるケースが多い。
アルゴンレーザーの出力ビーム径は約1.2mmで、これをビームイクスパンダで拡げて拡散光源としたり、光ファイバに導いてファイバ照明にしたり、またレーザーライトシートとして用いている。
4Wのアルゴンレーザー光源はどのくらいの明るさをもつのであろうか。
「レーザーの明るさ」で紹介した計算をもとにアルゴンレーザーの光束を求めると、以下のようになる。
（1.3〔W〕（at 488nm）×0.208＋1.7〔W〕（at 514.5nm）×0.41＋1.0〔W〕×0.07）×683〔lm/W〕= 708.5〔lm〕
これを1m2に拡げると708.5lxの照度が得られ、φ100mm程度の大きさでは90,000lx程度の照度となる。
また、φ10mmとすると百倍の9,000,000lxが得られ、かなり高輝度な値となる。
アルゴンレーザーを照明光源として高速度カメラを使用する場合には比較的小さな照射エリアが向いていることになる。
高速度撮影の応用例のひとつとして、金属溶接現象を撮影するためにアルゴンイオンレーザーを使用した例を紹介する。
撮影現象は、YAGレーザー溶接機による溶接現象で鉄が溶けている状況を16Wのアルゴンイオンレーザー光を用いて、これを光ファイバで導き溶接の溶融地を照射しアークの炎をフィルタで消して高速度撮影を行った。
アルゴンレーザーは、このほかシャドウグラフ装置の点光源として使用されている。
シャドウグラフは、光源の光がそのまま撮像面に入るため反射散乱光の撮影より500～1,000倍ほど光量が少なくてすむ。
レーザーシャッター（AOM=Acoust-Optic Modulator）
もう少し厳密にアルゴンレーザーの出力とカメラ撮像面での露光量の関係を調べてみたい。
アルゴンレーザーは連続発振であるので短時間露光を行うためには外部シャッターを使用する。
カメラに高速シャッター機能が付いていれば、アルゴンレーザーは連続光のままで使用する。
レーザーをチョッピングするシャッターとしては、ミリ秒オーダのシャッターリングができる機械式のシャッター、マイクロ秒程度のシャッターリングができる液晶シャッター、マイクロ秒程度のシャッターリングができる結晶光学素子を利用したAOM（Acoust-Optic Modulator、音響光学素子、米国Brimrose社、米国IntraAction社）がある。
AOMは、二酸化テルルやガリウムリン、水晶などの結晶に超音波を与えるとその結晶中に規則的な屈折構造ができる原理を応用し、回折作用によって入射光線の射出角度を変化させるものである。
結晶に与える振動数を変化させることにより結晶に歪みができ、屈折角が変わって射出角度が変化しその応答が極めて速いので高速シャッターの働きをなす。
結晶に与える振動数は使う結晶材質によって変わるが20MHzから400MHz程度である。
入射ビームは単一波長（シングルライン）のみに限られ回折して射出する光の効率は80％程度となる。
AOM（音響光学素子）は、レーザービームの放出角度を自由に変えることができるためレーザーディスプレイの駆動装置として使われたり、Qスイッチ素子としてYAGレーザーなどの連続レーザーに装着してパルス光源を作り出すのに使われている。
AOMをシャッターとして使う場合に気をつけなければならない特徴を上げる。
AOMは、結晶素子を透過したレーザービームの1/200程度がシャッターOFFでも漏れる特性を持っている。
これは、たとえば35mmスチルカメラを使ってバルブでフィルムを露出させ、AOMシャッターでレーザー光を露光させる場合、AOMの露光とカメラシャッター時間の比が1/200以上でないとAOMがOFF時に蓄積される光量がON時に露光される光量と同じになってしまうというものである。
カメラシャッターを1秒にセットしてレーザー光で露光する場合には、AOMの露光のOFF時の漏れを考慮してONの時間を1/200秒以上、通常はその5倍の露光に設定するため、1/40秒以上の露光が必要となる。
ストロボ同期信号（X接点）信号でAOMを動かす場合は、フィルムカメラシャッターが1/60秒で同期がかかるので、最小1/2,400秒（約416μs）までの露光ができる。
CCDカメラも30フレーム／秒（60フィールド／秒）の撮影を行っているので1/2,400秒までの露光が目安となる。
CCDカメラの中には電子シャッター機能（1/1,000秒～1/10,000,000秒）を持っているものがあり、これと同期させると理論上1/40,000秒（25μs）～1/400,000,000秒（2.5ns）までの露光が可能である。λ＝514.5nm、100mWのレーザービームをAOMを介して変調させると、以下の光束が得られる。
0.1〔W〕（at514.5nm）×0.41×0.8×683〔lm/W〕＝ 22.4〔lm〕
これをたとえば35mmスチルカメラのフィルム面φ43mmに拡げると、下記の像面照度を得る。
22.4〔lm〕/（0.02152 ×π）〔m2〕＝ 15,425〔lx〕
ISO100のフィルム感度の適正露光量は0.1lx・秒であるので、この条件での適正露光時間Tは、次のようになる。
0.1〔lx・秒〕= 15,425〔lx〕×T〔秒〕
T = 6.5〔μs〕
RedlakeMASD社高速度ビデオ（HG-100K）を使用する場合は撮像素子の大きさが対角線長22.56mmと通常の2/3型CCDよりも面積で4倍大きく、適正露光量も0.025lx・秒であるので、同じ光で0.5〔us〕の露光で十分な撮影が行える。
いずれにしてもシュリーレン、シャドウグラフ撮影でのレーザー出力は100mW程度あれば十分なことが理解できる。
レーザーライトシート（LLS＝Laser Light Sheet）
アルゴンレーザーの使われ方のもうひとつに、レーザービームをシリンドリカルレンズに通してシート状にして流れ場の断面を可視化する手法がある。
従来はスリット光源と呼ばれる細長いハロゲンタングステンランプとシリンドリカルレンズを組み合わせた光源が使われていた。
ハロゲンランプによるスリット光源は輝度が低く高速度カメラとの組み合わせによる撮影は全く不可能であった。
また装置も大きくて重く実験現場にセットするのにかなり困難を伴った。
1990年頃よりアルゴンレーザーと光ファイバ、シリンドリカルレンズを用いたレーザーライトシート法が使われ始め、流れの可視化手法の主流となった。
レーザーライトシート手法は流れ場を浮かび上がらせるトレーサとレーザー光の輝度が重要な要素となり、反射率が高くて流れによく追随するトレーサがいろいろと試されてきた。
CCDカメラや35mmフィルムカメラでは撮影上特に問題とされないレーザーシート手法も、1,000コマ／秒以上の撮影速度では10W以上のアルゴンレーザーを用いてなんとか撮影できるというのが現状であり、高速撮影ではより高輝度のレーザー（パルスYAGレーザー、銅蒸気レーザー）や光増幅装置（I.I.）を用いるケースが増えている。
アルゴンレーザーの電源および水冷却設備
アルゴンレーザーの電源は、マルチライン4Wクラスで三相200V、30～80A程度の容量が必要であり、冷却水は、水圧2kg/cm2、6リットル／分の水量が必要である。
アルゴンレーザーは消耗品のコストも比較的高く電源設備、冷却設備も必要で運用費用がかかる。
こうした事情から最近では、アルゴンイオンレーザーに変わって緑色の連続光源が出る固体グリーンレーザーが使われるようになってきている。
