回折格子

回折格子は、多重ビーム干渉によって光をその構成波長に分散させる周期構造であり、分光法において中心的な役割を果たします。

Definition

入射光を、格子方程式によって設定される波長依存の角度で離散的な次数に回折させる周期的に構造化された光学素子であり、光を波長によって分散および分析するために使用されます。

Scope

このトピックでは、周期的な回折構造の物理学とその使用法について扱います。これには、回折角と波長、格子次数、溝間隔を関連付ける格子方程式、透過型回折格子と反射型回折格子、振幅回折格子と位相回折格子の区別、選択された次数に光を集中させるブレーズ、性能を決定する分光分解能と自由スペクトル範囲が含まれます。分光計や単色光装置の分散素子として、またパルス圧縮やビーム制御の構成要素としての回折格子を扱います。

Core questions

• 格子方程式は、各波長の回折角をどのように決定しますか？
• 回折格子の分光分解能は何によって決まりますか？
• ブレーズはどのようにして光を有用な回折次数に導きますか？
• 回折格子はプリズムとどのように異なる方法で光を分散させますか？

Key concepts

• 格子方程式
• 回折次数
• 溝間隔
• 分光分解能
• 自由スペクトル範囲
• ブレーズド回折格子
• 透過型および反射型回折格子
• 分散

Key theories

格子方程式

多数の等間隔の溝からの建設的干渉は、隣接する溝間の光路差が波長の整数倍である場合に発生し、波長、次数、および溝間隔に依存する回折角をもたらします。

分解能とブレーズ

回折格子の分解能は、回折次数と照明された溝の数の積に等しく、一方、溝のプロファイルを整形する、すなわちブレーズは、回折されたエネルギーを効率のために選択された次数に集中させます。

Clinical relevance

回折格子は、臨床化学分析装置、血液ガスおよびオキシメトリー測定、スペクトルドメイン光コヒーレンストモグラフィーで使用される分光計の分散素子であり、分析のために光を波長に分離します。

History

リッテンハウスは1786年に細いワイヤーから初期の回折格子を作成し、フラウンホーファーは19世紀初頭に太陽スペクトルを研究するために刻線回折格子を製造し、彼にちなんで名付けられた吸収線を発見しました。1880年代のローランドの精密刻線機は、分光法を一変させる大型で正確な回折格子を製造しました。

Key figures

• Joseph von Fraunhofer
• Henry Augustus Rowland
• David Rittenhouse

Seminal works

• hecht2017
• bornwolf1999

Frequently asked questions

なぜ回折格子は一度に複数のスペクトルを生成するのですか？

格子方程式は複数の整数次数で満たされるため、特定の波長の光はいくつかの方向に回折され、それぞれが異なる次数に対応し、別個のスペクトルを生成します。

分光法において、回折格子はプリズムよりもどのように優れていますか？

回折格子の分散は波長に対してより線形に近く、多数の溝を使用することで非常に高い分解能を得ることができますが、プリズムは材料分散に依存し、一般的に低い分解能しか得られません。