回折格子

光分散素子 · 分光法 · レーザー · 電気通信 · 出典: PhotonLab

回折格子は、分光計、その他の分析機器、電気通信、レーザーシステムなど、幅広い用途で重要な光学部品です。回折格子には微細な周期的な溝構造が含まれており、回折によって入射光を複数のビーム経路に分割し、異なる波長の光を異なる方向に伝播させます。これにより、回折格子は機能的には分散プリズムと同様になりますが、プリズムは回折ではなく波長に依存する屈折によって波長を分離します (図 1)。

図1. 分散プリズムは屈折によって波長を分離し（上）、回折格子はその表面構造による回折によって波長を分離します（下）。

格子に入射した光は、次の格子方程式に従って回折されます。

mλ=d ( sin + sin )

(1)

ここ、m回折（またはスペクトル）次数を表す整数です。λは光の波長であり、dは回折格子の溝間の間隔であり、は入射角、そしては、回折格子を出る光の回折角です。異なる回折波面の建設的な干渉は波長の整数倍で発生します。これが、式 (1) に「m」が表示される理由です。m回折次数を定義します。m= 1 は 1 次回折と呼ばれます。-m= 2 は 2 次回折-などです (図 2)。もしm= 0、光は、反射格子か透過格子かに応じて、格子から直接反射されるか、格子を透過します。これはゼロ次回折と呼ばれます。-分散プリズムとは異なり、短い波長は常に直接反射光または透過光に近づきます-この場合は 0 次です。異なる注文の間には一部の重複が存在します。すべての角度は、格子法線 (格子に垂直) から測定されます。

図 2. 一部の光は 0- 次回折として直接反射されますが、入射光の他の部分は波長に応じて 1 次の角度に回折されます-。少量は高角度の 2 次- と 3 次-に分離されます。

グレーチングを選択する際に考慮すべきこと

回折格子を選択するときは、波長範囲、ブレーズ波長 (回折スペクトルで最も効率が高い波長)、およびブレーズ角を指定することが重要です。ブレーズ角は、ブレーズ波長の 1 次の回折角を表します。-。この角度では、と式 (1) は等しく、入射光は来た方向に回折して戻ります。この状態はリトロー構成とも呼ばれます。この角度に近い位置で動作させると、最高の効率が得られます。

通常、溝の密度、または溝の周波数が指定されます。溝間隔の逆数ですd。光学システムの重要な特性は分散ですが、これは回折格子の特性と回折格子の使用方法の両方に依存します。他のシステムの詳細がなければ、回折格子のみに「特定の回転が特定の波長分離に対応する」などのルールを割り当てることはできません。回折格子の分解能も指定でき、それはシステムのスペクトル分解能に関係します。ただし、この解像度は回折格子とシステムの入口および出口スリットの両方に依存します。回折格子の分解能Rスペクトル次数に依存するm照明下での溝の数N:

R=λ / Δλ=mN

通常、非常に多くの溝が照明されるため、{0}グレーティングではなく入口と出口のスリット-がシステムの解像度を制限します。効率曲線を使用して、アプリケーションで使用されるすべての波長にわたる回折レベルを検証することもできます。

回折格子は少なくとも入射光の円錐またはビームと同じ大きさでなければなりません。そうしないと、端からの光が失われます。したがって、迷光がシステムの周囲で反射して誤った信号を生成するのを防ぐために、回折格子は常にアンダーフィルされている必要があります。

グレーティングの種類

反射回折格子と透過回折格子

最も広い 2 つのカテゴリは、反射回折格子と透過回折格子です。図 1 と 2 は反射回折格子を示しています。これは本質的に微細な溝を備えたミラーです。すべての回折次数は、さまざまな角度で格子から反射します。透過型回折格子は、微細な溝のあるレンズのようなものです。すべての回折次数が回折格子を通過しますが、式 (1) で与えられる角度だけ相殺されます。

罫線入り回折格子とホログラフィック回折格子

反射回折格子と透過回折格子は両方とも、溝プロファイルの作成方法が異なる、罫線回折格子とホログラフィック回折格子にさらに分類できます。罫線格子では、溝がコンポーネントに機械的に彫刻または切り込まれます。ホログラフィック格子では、溝が光学的に導入されます。フォトレジストと呼ばれる感光性材料が基板上に堆積され、光干渉パターンに露光されます。次に、残ったフォトレジストが化学的に除去され、格子パターンが残ります。罫線入り回折格子には通常三角形の溝があり (図 3)、ホログラフィック回折格子には通常正弦波状の溝があります (図 3 および 4)。

図 3. 刻み付き回折格子には通常、三角形の溝があります。格子上の矢印: ブレーズの方向。

図 4. ホログラフィック回折格子には通常、正弦波状の溝があります。

エシェル格子

エシェル格子は、通常の格子よりも溝の間隔が広いか、溝の密度が低いことが特徴です。{0}}通常は約 10 倍、場合によっては最大 100 倍にもなります。高い入射角 ( ) でエシェル格子を照明すると、高分散、高分解能、低偏光依存効率が得られます。-。これらの回折格子は、原子レベルの分解能を追求する高感度の天文機器やシステムなど、高分解能を必要とするアプリケーションに最適です。

平面グレーティングと凹面グレーティング

上記の格子タイプはすべて、全体の形状を表す平面格子と凹面格子にさらに分類できます。平面格子は平らであり、より一般的です。溝が真っ直ぐで等間隔であり、回折格子が平坦で、入射光がコリメートされている場合、すべての回折光はコリメートされたままになります。システムの集束特性が波長に依存しないため、これは多くのアプリケーションで有益です。凹面格子と比較して、平面格子は通常、システムの複雑さも軽減します。凹面格子は湾曲しているため、光を収束または発散させます。これはシステム内の光学コンポーネントの総数を減らすのに役立ちますが、集束特性は波長に依存します。

回折格子の用途

モノクロメーター

モノクロメータは、凹面または平面の回折格子をミラーとともに使用して、入射光から狭い帯域を選択します。白色光源がこのようなデバイスに入ると、意図した狭い出力帯域を除くすべての波長がフィルタリングされます。図 5 は、モノクロメータがどのように回折格子を回転させて、異なる波長が出射スリットを通過し、他のすべての波長が遮断されるかを示しています。

図 5. 平面-格子モノクロメータ (上) と凹面- 格子モノクロメータ (下) はどちらも格子を回転させて出口スリット全体の回折次数をスキャンし、どの波長がデバイスから出射されるかを正確に決定します。

分光計

モノクロメーターと同様に、分光計は広帯域光源の波長を分離しますが、可動部分はありません。代わりに、分離されたすべての波長が検出器アレイ上に同時に画像化されます (図 6)。各波長は異なるピクセルのセットに画像化されるため、デバイスは広帯域光源に各波長がどの程度存在するかを判断できます。分光計は通常、検出器全体で波長をスキャンする必要がなく、時間を節約できるため、高速スペクトル分析が必要な場合に使用されます。

図6. 平面-回折格子分光計（上）と凹面-回折格子分光計（下）はどちらも固定回折格子を使用して、入射波長を検出器アレイの異なるピクセルに分離します。

レーザーチューニング

回折格子を使用してレーザーのスペクトル出力を調整したり、出力帯域を狭めたりする方法はいくつかあります。特定の回折次数だけがレーザーから出るように回折格子を回転させることができます。ミラーが回転して出力帯域をフィルタリングしている間、回折格子は静止したままにすることができます。または、出力帯域を狭めるために、レーザー内のミラーを回折格子に置き換えることもできます (図 7)。

図 7. これら 3 つのセットアップは、グレーティングを使用してレーザー出力波長を調整したり、出力波長範囲を狭めたりするさまざまな方法を示しています。

レーザーパルスの伸縮、圧縮、増幅

超高速パルスなどの短いレーザーパルスは、ピーク出力が高いことが多く、繊細な光学コーティングやコンポーネントに損傷を与える可能性があります。これを回避するために、一対の回折格子を使用してパルスを延長し、パルスの持続時間を長くし、ピークパワーを低減することがあります。引き伸ばされたパルスは光増幅器を通過し、光学コンポーネントに損傷を与えることなくパワーを得ることができます。逆構成の別の格子ペアは、増幅後のパルス幅を圧縮して、ターゲットに短く高出力のパルスを生成できます (図 8)。