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回折格子(かいせつこうし)とは、格子状のパターンによる回折を利用して干渉縞を作るために使用される光学素子の総称。グレーティング(grating)とも呼ばれる。格子パターンは直線状の凹凸がマイクロメートルサイズの周期で平行に並んで構成されていることが多い。ただしその周期、材質やパターン厚(凹凸の差厚)などは用途や使用する波長域によって適宜異なる。主に物理・化学分野で分光素子として用いられるものの用途は一概には言えず、身近な例としてはレーザー光の反射・干渉からデジタル情報を読み取るCDのピット構造が挙げられる。また、クジャクやモルフォチョウ独特の艶やかな構造色はそれらの羽や翅の微細な構造が回折格子と同等の役割をすることによって生じている。

◆ 概要

初めて史実に登場する回折格子は18世紀のアメリカの自然科学者デビッド・リッテンハウス()によって作られたもので、板の間に止めた2本のネジの間に髪の毛を40本/cm間隔で平行になるように張り、その髪の毛がパターンの役割を果たすというものだった。その後、これと同じ構造の回折格子が19世紀の物理学者ヨゼフ・フォン・フラウンホーファーによって金属細線を用いて製作され、多色光(単色光の対義語)がどのような波長の光から構成されているかを定量的に調べるための道具として紹介された

。

回折格子を用いて得られる効果としてわかりやすいものは、CDの読み取り面に太陽光や室内光を当てたときに虹色に輝いて見える現象である。これはプリズムに光を通したときに見られる現象と似てはいるが、プリズムでは光の屈折によって色が分離する(スペクトルが表れる)のに対し、回折格子では光の回折と干渉によってスペクトルが見えている。また、単一方向から光を入射しスクリーンにスペクトルを投影してみると、プリズムで観察されるスペクトルのパターンは単に光の波長の順に並んだものであろうが、回折格子で観察されるものはそれを周期的にくり返したような形になるはずであるただしこれは回折格子のパターンや周期性にもよる。。この分光能力により理化学機器のスペクトロメーターや光学用のモノクロメーターの構成要素として回折格子が使われることが多い。

回折格子というと線が平行に走った単純な格子状のものを連想しやすく、以上の説明もそのようなものを想定して行ってきたが、パターンの形、周期、断面形状は様々であり、材質や製造法も場合によって異なる。また、回折の起こし方にも数種類ある。分光素子としてではなく、イメージング分野で光の位相分布を画像化するために用いられることもあり、同様の分野で使用されている回折格子と類似の構造を持つ光学素子としてホログラムやゾーンプレート(X線顕微鏡で使用される回折レンズの一種)などがある分光の場合はフラウンホーファー回折を用いるが、イメージングの場合はフレネル回折を利用することが多い。また、加速された中性子のような波動性を持つ粒子(物質波)のための特殊な回折格子もある。

◆ 原理

分光をする場合の入射光は多色光だが、それを構成する異なる波長どうしの光は互いに干渉し合うことはない。よって単一波長の光(単色光)の回折と干渉現象だけ考えれば、多色光の場合はその重ね合わせで説明することができる実際、高等学校の物理の教科書では回折格子を分光素子としては特に紹介せず、それによる単色光の回折と干渉のみを扱うことが多い。。

ここでは光が周期的に並んだ格子の開口部を透過して回折する場合について考える。波面が平行な単色光を回折格子に入射し、そこから十分離れた場所にスクリーン等を置いて格子から出てくる光を観測してみると、周期的な干渉縞が現れる実際に干渉が起こるかどうかは入射光のコヒーレンスによるが、ここでは光軸に垂直な平面内で位相の揃った完全な単色光を仮定しているので必ず干渉する。現実には単色光としてレーザー光を用いることが多い。。この縞のパターン形や周期は格子のそれに対応したものになっており、直線の並んだ1次元パターンの格子を用いた場合はやはり直線が並んだ1次元の干渉縞となる数学的には、干渉縞のパターンは格子のパターンのフーリエ変換に相当する。干渉縞を入射光の中心軸に近い方から0次、±1次、±2次...と順序づけていく(縞は対称なのでマイナス符号も用いる)と、この各次数の干渉縞はその縞ができている方向に回折してきた光の干渉によって生じている。つまり、干渉縞ができるポイントでは各開口部から出てきた光が強め合いの条件(等位相の波の重ね合い)を満たしている。この条件が満たされるためには、各開口部から出てきた光が波長の整数倍の行路差を持っていなければならない。そこで格子周期をd、波長をλ、入射角をα、出射角をβとすると整数nを用いて

:$d\; \backslash sin\; \backslash alpha\; +\; d\; \backslash sin\; \backslash beta\; =\; n\; \backslash lambda$

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