1.1 分光器の種類
分光器の種類は大きく分けてプリズム型と回折格子型の二種類がある。
(ⅰ) プリズム分光器
プリズム分光器といっても、直視分光器、波長分光器などいろいろ上げられる。ここでは波長分光器に関して説明する。
プリズム分光器は、後で述べるがある欠点があるのであまり顕著な発展は遂げなかった(これらの欠点が製作上大きな原因であったのかはわからないが･･･)ので、ここでは簡単な説明にとどめることにする。
概観は以下のようになっている。
この分光器が光を分光できるのは分光器の中にプリズムという光学素子が入っているからである。プリズムが光を分散する理由は、詳細は避けるが、多くの光学の本(特にヘクトI 文献参照)に載っているように光はプリズムを通ると波長ごとの屈折率の違いから(分散という)、波長ごとの光路が異なる。これによって分けられた光は適当な装置によって光の強度が測定される。
プリズム分光器と同様に、回折格子型の分光器も多くの種類のものが存在する、今回はその中でも、今回の実験で登場した分光器、反射型の回折格子を用いたCzerny-Turnerマウント分光器に関して説明する。
まず、分光器の概観を示す。今回の実験で用いたのとは多少光の経路は異なるが、本質的なことは一切変わらない。
これがなぜこの装置で分光できるかというと、それは回折格子(grating)と呼ばれる、光学素子が入っているからである。この素子の仕組みについてこれから詳述していく。普通の分光器のように、gratingにコリメートされた光が入射すると、以下のような現象が起きている。
gratingは
個の溝(grooves)からなっており、これは滑らかなガラス板に線を引いたものか、フォログラフィ技術によって作られている。また、金属か誘電フィルムなどで高い反射膜で覆われている。
図に示しているように、平行光がgrating normalに角
で反射されたものは干渉によってある方向のものは強度が大きくなり、それ以外の方向は干渉しあい弱めあう。図は隣接した二つの光の光路差を示したもので、強め合う条件は以下のようなものである。
より右側に角度が来るとき正にとる)。ここで、この式での特殊な場合を触れる。
Littrow-grating mount と呼ばれる状態で入射光と反射光が同じ角度を持つときでこの
とき反射光は入射方向に進む。このような状況はよく起こる。これの物理的な詳細は述
べない(Laser Spectroscopy p133に書いてある。結構面白い話)。話を分光器に戻す。
ここで、i は正の量にとってあり、
は回転角を表していることに注意!！
右図からわかるように、リードスクリューが回転すると、こまが図中で上下方向に平行移動する。Oを中心として回転するアームの先端が、コマに取り付けてあるバーを滑らせるとアームの回転角
とコマの移動量
の間に、
が成り立ち、O点上に
となるようにgratingを取り付けると回転角を読み取れる。
これをサインバー機構という。上式の各式でわかるように、gratingの場合高次の光が問
題になる。一次光で6000Åの波長を出射させるのに、3000、2000、1500Åのように、そ
の整数分の一の波長が同時に出射される。実際には1900Å以下の光は空気中で 吸収され
るため、２次の3000Åと3次の2000Åが、1次の6000Åとともに出射される。これら高次
の光と6000Åを分離するためにはフィルターを併用することが多い。測定する波長を高
次にする場合にはやや複雑になる。たとえば仮に6000Åの3次光を出射させる場合、他
次光として1.8μ, 9000Å, 4500Å, 3600Å, 3000Å…が出射するので、隣接した次数
との波長の間隔が狭くなるだけでなく、長波長側の光もカットする必要がでてくる。
1.2 分散素子の長所と短所
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プリズム |
回折格子 |
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長所 |
透過率が高い 迷光が少ない 次数重複がない 出射光の偏光度が小さい |
種類が豊富 安価になってきた 使用は長領域で分散がほぼ一定 |
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短所 |
材料に制限がある 分散の波長依存性がある 温度により波長のずれがある |
透過率が低い 迷光が多い 次数の重複が起こる 出射光の偏光度が多い |
