キーワード: VPH 固相ホログラフィック回折格子、透過分光光度計、反射分光光度計、ツェルニーターナー光路。
1。概要
光ファイバー分光計は回折格子の種類に応じて反射型と透過型に分類できます。回折格子は基本的に光学素子であり、表面または内部に等間隔に配置された多数のパターンを特徴とします。これは重要なコンポーネントである光ファイバー分光計です。光がこれらの格子と相互作用すると、光回折として知られる現象によって、さまざまな波長によって決定される異なる角度に分散します。
上: 識別反射率分光計 (左) と透過率分光計 (右)
回折格子は一般に反射格子と透過格子の 2 種類に分類されます。反射回折格子はさらに平面反射回折格子と凹面回折格子に分けることができ、透過回折格子は溝型透過回折格子と体積位相ホログラフィック（VPH）透過回折格子にさらに分けることができます。本稿では主に平面ブレーズグレーティング型反射分光計とVPHグレーティング型透過分光計を紹介します。
上: 反射格子 (左) と透過格子 (右)。
現在、ほとんどの分光計がプリズムではなく回折格子分散を選択しているのはなぜですか?それは主に回折格子のスペクトル原理によって決まります。格子上の 1 ミリメートルあたりの線の数 (線密度、単位: 線/mm) によって、格子のスペクトル能力が決まります。格子線密度が高いほど、格子を通過した後の異なる波長の光の分散が大きくなり、光学解像度が高くなります。一般に、利用可能な格子溝密度には 75、150、300、600、900、1200、1800、2400、3600 などがあり、さまざまなスペクトル範囲と解像度の要件を満たします。一方、プリズム分光法はガラス材料の分散によって制限され、ガラスの分散特性がプリズムの分光能力を決定します。ガラス材料の分散特性には限界があるため、さまざまなスペクトル用途の要件に柔軟に対応することが困難です。したがって、市販の小型光ファイバー分光計ではほとんど使用されません。
キャプション: 上の図の異なる格子溝密度のスペクトル効果。
この図は、ガラスを通した白色光の分散分光測定と回折格子を通した回折分光測定を示しています。
回折格子の開発の歴史は、古典的な「ヤングの二重スリット実験」から始まります。1801 年、英国の物理学者トーマス ヤングは、二重スリット実験を使用して光の干渉を発見しました。二重スリットを通過する単色光は、明るい縞と暗い縞が交互に現れました。二重スリット実験は、光が水の波に似た特性（光の波の性質）を示すことを初めて検証し、物理学界にセンセーションを巻き起こしました。その後、数人の物理学者が複数のスリット干渉実験を実施し、格子を通る光の回折現象を観察しました。その後、フランスの物理学者フレネルは、これらの結果を利用して、ドイツの科学者ホイヘンスが提唱した数学的手法を組み合わせて格子回折の基本理論を開発しました。
この図は、左側にヤングの二重スリット干渉を示しており、明るい縞と暗い縞が交互に現れています。マルチスリット回折 (右)、さまざまな次数での色付きバンドの分布。
2.反射型分光計
反射型分光計は通常、チェルニー・ターナー光路と呼ばれる、平面回折格子と凹面鏡で構成される光路を採用します。これは通常、スリット、平面ブレーズ格子、2 つの凹面鏡、および検出器で構成されます。この構成は、高解像度、低迷光、および高い光スループットを特徴としています。光信号は狭いスリットを通って入射した後、まず凹面反射鏡によって平行ビームにコリメートされ、次に平面回折格子に当たり、そこで構成波長が異なる角度で回折されます。最後に、凹面反射板が回折光を光検出器に集束させ、さまざまな波長の信号がフォトダイオード チップ上のさまざまな位置にあるピクセルによって記録され、最終的にスペクトルが生成されます。通常、反射分光計には、出力スペクトルの品質を向上させるために、いくつかの 2 次回折抑制フィルターとコラム レンズも含まれています。
図はクロス型CT光路回折格子分光器を示しています。
チェルニーとターナーはこの光学システムの発明者ではありませんが、オーストリアの天文学者アダルベルト・チェルニーとドイツの科学者ルドルフ・W・ターナーの光学分野への顕著な貢献を記念して記念されていることに注意してください。
ツェルニー・ターナー光路は一般に、交差型と展開型 (M 型) の 2 つのタイプに分類できます。クロス光路・M型光路の方がコンパクトです。ここでは、平面格子に対して 2 つの凹面鏡を左右対称に配置することで軸外収差を相互に補償し、光学分解能を高めています。SpectraCheck® SR75C 光ファイバー分光計は M タイプの光路を採用しており、180 ～ 340 nm の紫外線範囲で最大 0.15 nm の高い光学分解能を実現します。
上：クロス型光路/拡張型（M型）光路。
さらに、平坦なブレーズ格子とは別に、凹面ブレーズ格子もあります。凹面ブレーズ格子は、凹面鏡と回折格子の組み合わせとして理解できます。したがって、凹面ブレーズ格子分光器はスリット、凹面ブレーズ格子、検出器のみで構成されており、安定性が高い。ただし、凹面ブレーズ格子では入射回折光の方向と距離の両方に要件が設定されるため、利用可能なオプションが制限されます。
上: 凹面回折格子分光計。
投稿日時: 2023 年 12 月 26 日