フレネル菱面体

フレネル菱面体：光の偏光を操るプリズム

フレネル菱面体（Fresnel rhomb）は、2回の全反射によって光の偏光状態を変化させるための光学プリズムです。直線偏光を入射させると円偏光が出射し、逆に円偏光を入射させると直線偏光が得られます。その仕組みと歴史、そして関連する光学現象について詳しく解説します。

フレネル菱面体の仕組み

フレネル菱面体は、通常、2枚の合同な長方形を底面とする斜角柱（平行六面体）の形状をしています。光線が入射すると、内部で2回の全反射が起こります。この反射角は、入射光の偏光の平行成分と垂直成分の間に90°の位相差が生じるよう精密に設計されています。この位相差によって、光の偏光状態が変化するのです。

具体的には、入射光が光の進行方向に対して45°の角度で振動する直線偏光の場合、フレネル菱面体を通過することで円偏光に変換されます。これは、2回の全反射において、偏光の平行成分と垂直成分の位相がそれぞれ45°ずつずれるためです。入射光の角度が45°でない場合は、楕円偏光が得られます。

フレネル菱面体は、特定の波長に依存しない広帯域な1/4波長板として機能します。これは、複屈折を利用した1/4波長板とは異なり、位相差が材質の屈折率のみに依存するためです。そのため、可視光領域においても位相差の変動は小さく、安定した動作が期待できます。材質には、複屈折を起こさないガラスなどが用いられます。

フレネル菱面体と光の横波性

フレネル菱面体は、19世紀初頭にフランスの物理学者オーギュスタン・ジャン・フレネルによって発明されました。フレネルは、この菱面体を使って一連の実験を行い、光の横波性を証明しました。それ以前は、光の波動説は提唱されていましたが、光の波が縦波なのか横波なのかは不明でした。フレネルの精密な実験と、フレネル菱面体による検証は、光の横波説を確立する上で重要な役割を果たしました。

フレネル菱面体の理論

入射する光は、電場と磁場の横波から成り立っています。これらの電場は直交しており、入射面に平行な成分（p成分）と入射面に垂直な成分（s成分）に分けることができます。フレネル菱面体での全反射では、p成分とs成分の位相に差が生じます。この位相差は、入射角と材料の屈折率によって決まります。2回の全反射により、p成分とs成分の間に90°の位相差が生じるよう設計されています。

フレネルの式を用いることで、入射角と位相差の関係を計算することができます。この計算には複素数の概念が用いられ、複素数の偏角が位相差を表している点が重要です。フレネルはこの計算結果を実験で検証し、光の横波説を強力に支持する結果を得ました。

関連素子と歴史

2個のフレネル菱面体を貼り合わせたものは、1/2波長板として機能します。また、フレネル菱面体の開発は、19世紀初頭の光の偏光に関する研究、特にアラゴやビオによる色偏光の発見、そしてフレネル自身の光の波動説に基づく研究と深く関わっています。フレネルは当初、2つのプリズムを用いた実験を行いましたが、その後、より精度の高いフレネル菱面体を考案しました。

まとめ

フレネル菱面体は、そのシンプルな構造でありながら、光の偏光状態を精密に制御できる優れた光学素子です。フレネルによる光の横波性の証明という歴史的な意義に加え、現代においても、光学機器や光通信など、様々な分野で利用されています。その広帯域性と安定した動作は、今後もフレネル菱面体を重要な光学デバイスたらしめるでしょう。

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