エシェル回折格子

エシェル回折格子とは

エシェル回折格子（英: echelle grating）は、特定の設計によって高次の回折光を効果的に利用するために開発された回折格子の一種で、フランス語の「échelle」（階段）に由来しています。この格子は、主に分光学における高分解能な測定を実現するために使用されています。

回折の原理

一般的な回折格子では、1次や2次といった低次の回折光を利用しますが、これらの光を用いる場合、分解能を高めるためには溝の数を増やす必要があります。しかし、加工技術の限界により、あるポイントまでしか溝を増やすことができません。これに対し、エシェル回折格子は数十から数百の高次の回折光を利用する特徴を持ち、特に波長が約200 nmの光では90～100次、約800 nmの光では20～25次の回折光を利用します。

このように高次の回折光を使用することで、極めて高い分解能を実現します。しかし、高次光を用いる場合は迷光の影響も強くなるため、溝の形状を精密に設計・制御することが求められます。

エシェル回折格子の構造

エシェル回折格子の特徴の一つは、溝の数が数十本から数百本/mmと少ない点です。また、ブレーズ角と呼ばれる溝の傾きが60～70度と非常に大きいことも、この格子の特性の一部です。エシェル回折格子では、入射光がほぼ垂直に溝の反射面に入射し、同じ角度で回折されます。つまり、入射角と回折角はほぼブレーズ角に等しく、高次の回折光を使用しつつも十分な明るさが確保されます。

スペクトルの特性

高次の回折光を利用するエシェル回折格子では、異なる次数の様々な波長の光が同じ測定位置に重なることがあります。例えば、200 nmの2次回折光は400 nmの位置に、3次回折光は600 nmの位置に存在することになります。この重なりを解消するために、エシェル回折格子の前に別の分散型分光器を設置することが一般的です。分光器はプリズムや他の回折格子であってもよく、それによって各次数の光を正確に分散させ、スペクトルの重なりを排除します。

この結果、エシェル回折格子によって得られるスペクトルは、狭い波長帯のスペクトルが次数順に縦に積み重なった二次元的な構造を有しています。このため、集光部には平面上に分散したスペクトルを面で検出できる半導体面検出器を配置することで、全波長を同時に検出することが可能です。

ただし、プリズムと組み合わせてエシェル回折格子を使用する場合、プリズムの光学特性によって分光可能な波長に制限があることに留意する必要があります。エシェル回折格子は高い分解能を持つため、様々な科学および工業用途において重宝されています。

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