マイケルソン干渉計

マイケルソン干渉計

マイケルソン干渉計は、アメリカの物理学者アルバート・マイケルソンによって発明された、光の干渉を利用した重要な測定機器です。この装置は、光のビームを2つの経路に分け、それぞれの経路で反射させた後、再び合流させることで干渉縞を生成します。様々な経路の長さを調整したり、経路内の物質を変更することで、異なる干渉のパターンを検出器上に現れさせることが可能です。

マイケルソン干渉計の基本的な構造には、精密に磨かれた2つの鏡とビームスプリッターが含まれています。光源から放たれた単色光は、ビームスプリッターに斜めに当たることで2つの異なる経路に分割されます。一方は透過して他方の反射鏡へ、もう一方は反射して別の鏡に進みます。両方の鏡で反射された光は再びビームスプリッターに戻り、そこで合流し、干渉縞が生成されるのです。

この干渉計の特長は、経路の長さ差に基づく光の干渉効果によります。もし2つの光線の経路長差が波長の整数倍になると、強い干渉効果が生じ、検出器には強い信号が現れます。一方、経路の長さ差が波長の半整数倍の場合、2つの光線は相殺し合い、信号は弱くなります。このような現象はエネルギー保存の法則に反するように見えるものの、ビームスプリッターによって再分配されたエネルギーが関与しています。

19世紀末には、干渉縞を生成するために特殊な光源やフィルターが使用されていました。マイケルソン・モーリーの実験では、星明かりを光源として使い、空間的コヒーレンスを持つ光でも干渉縞を観測しました。この実験の結果、光速の一定性が確認され、エーテル説が否定される当時の物理学に大きな影響を与えました。

また、マイケルソンが設計した干渉計は、精度向上のために可動部が少なく、光源と鏡を載せた回転台が主要な可動機構になっています。この回転台は水銀浮遊法を用いており、磨耗を防ぐことで信頼性を高める目的があります。

用途

マイケルソン干渉計の代表的な応用の一つは、特殊相対性理論の証明でもあるマイケルソン・モーリーの実験です。現代でも、調整可能な狭帯域フィルターやフーリエ変換分光法の核として幅広く利用されています。特に、重力波を直接検出する装置であるLIGOやVirgo、KAGRAは、すべて巨大なマイケルソン干渉計によって構成されています。これらの装置は宇宙の探求において重要な役割を果たしており、特に重力波の観測において画期的な発見をもたらしました。

さらに、通信技術の分野でも、マイケルソン干渉計の原理は、DWDMネットワーク内での位相変調から振幅変調への変換に利用されており、重要な役割を果たしています。医学分野でも、眼科検査に用いられる光干渉断層計は、この干渉計の原理に基づいています。

一方で、特定の用途においては、マッハツェンダー干渉計の方が扱いやすいケースもあります。最近では、非線形マイケルソン干渉計と呼ばれる新たなタイプの干渉計も登場しており、GTエタロンを組み合わせることで特定の光学的特性を持つ干渉計が実現されています。

まとめ

マイケルソン干渉計は、光の干渉による測定技術を駆使した非常に重要な器具です。その歴史、応用範囲、そしてその後の研究においても、科学技術の様々な進展とともに多様な場面で利用されています。

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