回折格子

回折格子：光のスペクトルを操る光学素子

回折格子とは、微細な格子状パターンを用いて光の回折と干渉現象を利用し、スペクトル（光の波長による色の分解）を作り出す光学素子です。英語では「diffraction grating」と呼ばれ、物理学や化学の分野で分光素子として広く活用されていますが、その用途は多岐に渡ります。

回折格子の仕組み

回折格子の基本的な仕組みは、平行に並んだ多数のスリット（溝）や凹凸によって光を回折させることです。光は波の性質を持つため、これらのスリットを通過する際に回折し、干渉を起こします。この干渉によって、特定の波長の光が強め合ったり弱め合ったりすることで、スペクトルが生成されます。

CDやDVDの表面は、情報の記録方法とは別に、微細なピット（凹み）が規則的に並んだ構造をしているため、光を当てると虹色に見えることがあります。これは、CD/DVDの表面が回折格子の役割を果たしているためです。しかし、CD/DVDプレーヤーは、この回折現象を情報読み取りには利用していません。

回折格子によって得られるスペクトルは、プリズムによって得られるスペクトルとは異なります。プリズムは光の屈折を利用してスペクトルを生成するのに対し、回折格子は光の回折と干渉を利用します。そのため、回折格子で生成されるスペクトルは、プリズムの場合よりも規則的なパターンを示します。

回折格子の種類と製造方法

回折格子の種類は、その形状、光の透過・反射の仕方、製造方法などによって多様に分類されます。

形状による分類

平面型: ガラス板などの基板上に、平行な溝を刻んだタイプ。透過型と反射型があります。
凹面型: 球面や非球面（トロイダル面、楕円面など）の凹面に溝を刻んだタイプ。反射型のみです。凹面型は、分散型回折格子として用いる場合、ローランド円上にスリットと検出器を配置することで効率的な分光が可能です。

光の散乱方向による分類

透過型: 光が回折格子を透過する際に回折現象が発生します。教育用途などで分かりやすい例として用いられることが多いです。
反射型: 光が回折格子で反射する際に回折現象が発生します。実用的な回折格子として最も多く用いられています。

製造方法

回折格子の製造方法は、目的とする精度や規模によって異なります。

機械刻線: ダイヤモンドカッターなどで物理的に溝を刻む方法。
フォトリソグラフィ: 半導体製造技術を応用した精密な量産方法。
レプリカ法: マスターとなる回折格子からレプリカを作成する方法。
ホログラフィック法: ホログラフィ技術を用いた方法。
* 電子線描画: オーダーメイドで精密な回折格子を作成する方法。

ブレーズド回折格子

透過型および反射型の回折格子において、溝の角度（ブレーズ角）を制御することで、特定の波長領域の回折光の強度を高めることができます。このように溝の角度を制御した回折格子をブレーズド回折格子と呼びます。

回折格子の原理

回折格子の原理は、光の回折と干渉に基づいています。複数のスリットを通過した光は、各スリットからの光路差によって干渉を起こし、強め合う波長と弱め合う波長が生じます。この干渉によって、特定の波長の光が強められ、スペクトルとして観測されます。

透過型回折格子の原理

透過型回折格子の場合、格子周期をd、波長をλ、入射角をα、回折角をβ、次数をnとすると、強め合う条件は次の式で表されます。


d(sinα + sinβ) = nλ


この式から、回折角βは波長λに依存することがわかります。つまり、異なる波長の光は異なる角度に回折されるため、スペクトルが生成されます。

回折格子の歴史と自然界における例

最初の回折格子は、18世紀にアメリカのデビッド・リッテンハウスによって作られました。その後、19世紀にはヨゼフ・フォン・フラウンホーファーが金属細線を用いた回折格子を作成し、分光分析に用いました。

自然界には、クジャクの羽や蝶の羽など、構造色を示すものが存在し、回折格子と混同されることがありますが、これらの構造色は薄膜干渉によるものが多く、回折格子の原理とは異なります。真の自然界の回折格子は、非常に稀です。

まとめ

回折格子は、その多様な種類と製造方法、そして精密な分光能力から、科学研究や産業において重要な役割を果たしています。本記事では、回折格子の基本原理から応用例、歴史までを網羅的に解説しました。今後も、回折格子の技術革新は、科学技術の進歩に貢献していくでしょう。

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