ファブリ・ペロー干渉計

ファブリ・ペロー干渉計/エタロン：光の波長制御と測定の精密機器

ファブリ・ペロー干渉計、あるいはエタロンは、2枚の部分反射鏡（または平行な反射面を持つ1枚の板）を用いて光の波長を制御・測定する光学機器です。2枚の鏡の間で光が多重反射を起こし、特定の波長の光のみが強め合う干渉を起こして透過する仕組みです。この透過波長は、鏡間の距離や光の入射角によって変化します。

シャルル・ファブリとアルフレッド・ペローの名にちなんで命名されており、「エタロン」はフランス語で「標準」や「測定器」を意味する言葉に由来しています。正確には、鏡間の距離を調整できるものが干渉計、調整できないものがエタロンと呼ばれますが、両者はしばしば混同されます。

基本原理

干渉計の中心となるのは、数マイクロメートルから数センチメートル離して配置された、部分的に光を反射する2枚の光学平面ガラスです。干渉縞の発生を抑えるため、ガラスは楔形に加工されていることが多く、裏面には無反射コーティングが施される場合もあります。

光源からの光は、コリメーターレンズによって平行光束に変換され、2枚のガラスを通過します。光はガラス間で何度も反射を繰り返し、各反射光は位相差を持って干渉します。これらの光は、集束レンズによってスクリーン上に集められ、同心円状の干渉縞（干渉パターン）が形成されます。

この干渉縞の太さや明るさは、鏡の反射率に依存します。反射率が高いほど、Q値が高くなり、単色光の場合は細く明るい干渉環が暗い背景に現れます。Q値の高い干渉計は「フィネス」が高いと言われ、より精密な波長測定を可能にします。

応用分野

ファブリ・ペロー干渉計/エタロンは、その精密な波長制御・測定能力から、様々な分野で広く応用されています。主な例を挙げると、

通信技術: 光波長多重通信用のアド・ドロップマルチプレクサとして、石英ガラスやダイヤモンド製のエタロンが使用されています。ダイヤモンドは高い熱伝導率と低い熱膨張率を持つため、温度変化による周波数変動を抑えるのに適しています。近年では、光ファイバーを用いたエタロンも開発され、設置や冷却の手間が軽減されています。
レーザー技術: ダイクロイックフィルタは、エタロン層を光学平面上に積層して作られます。吸収フィルターに比べて、反射帯域と通過帯域の精度が高く、温度上昇も抑えられます。レーザー共振器にもファブリ・ペロー共振器が用いられることが多く、シングルモードレーザーの生成にも役立ちます。量子カスケードレーザーでは、高いゲインのため端面コーティングが不要で、ファブリ・ペロー共振器が広く用いられています。
分光技術: 光波長計や光スペクトルアナライザは、高精度の波長決定のためにファブリ・ペロー干渉計を用いています。ゼーマン効果のような、通常の分光器では観測が難しい現象の観測にも用いられます。
天文学: 特定の輝線を選択的に観測するために用いられ、太陽のHα線やCa-K線の観測に多く利用されています。
* 重力波検出: LIGOやVirgoなどの重力波検出器では、光子を長時間キャビティ内に閉じ込めることで感度を高めるために、ファブリ・ペローキャビティが用いられています。

理論

ファブリ・ペロー共振器の動作は、入射光と共振器内で多重反射を繰り返す光との干渉によって説明されます。光の位相が一致すると強め合う干渉が起こり、透過率が高くなります。逆に位相が逆になると弱め合う干渉が起こり透過率が低くなります。

共振器の特性は、自由スペクトル領域（FSR）、線幅、フィネスなどのパラメータで表されます。これらのパラメータは、鏡の反射率や共振器の長さによって決まり、共振器の性能を評価する上で重要です。

様々なエアリー分布（透過率、反射率、内部共鳴増強因子など）が導出され、これらの分布は共振器の縦モードの和として理解できます。

ファブリ・ペロー共振器の特性評価には、ローレンツィアン線幅、フィネス、エアリー線幅、エアリーフィネスなどのパラメータが用いられます。これらのパラメータは、共振器の分解能やピークの鋭さを表し、応用分野に応じて適切なパラメータを選択する必要があります。

反射率の周波数依存性なども考慮したより高度な解析も存在します。

まとめ

ファブリ・ペロー干渉計/エタロンは、光の波長を精密に制御・測定する重要な光学機器です。その高い精度と多様な応用可能性から、現代の科学技術において不可欠な存在となっています。

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