オプティカニクス総合取扱製品
opticanics.com

Manx Precision Optics

エタロンは、ファブリ・ペロ干渉計の原理を応用した光学部品です。特定の周波数の光だけを透過させ、帯域幅を狭くした狭帯域フィルターとして有効である。通信、レーザー、分光などの用途によく使われる。

エタロンは、部分的に反射する2枚の平板からなり、距離を置いて配置されています。エタロンは、部分的に反射する2枚の平板からなり、その間を真空にするか、空気または固体基板で満たして光共振器を形成する。この2つのタイプは、それぞれ「エアスペース型」と「ソリッド型」と呼ばれ、異なる利点と欠点を持っています。

図1: エタロン/ファブリ・ペロ干渉計の多重干渉原理を示す線図

エタロンはマルチビーム干渉計として機能し、入射光は第一板を通過して空洞に入り、そこで多重内部反射を受け、多くの異なる位相の光がアセンブリ全体を通して透過することになる。部品に吸収がなく、キャビティ内の両界面からの反射率が等しいと仮定すると、得られる透過率は次の式で与えられる。


　
ここで、Rは空洞の両表面の反射率、δは空洞を1回通過した光が獲得する位相である。Fは "フィネス係数 "と呼ばれることもあり、エタロンの "フィネス "と呼ばれる重要な量と関係がある。透過率曲線は、図2によって以下のように示される。空洞内での反射による多重ビーム干渉の結果、δ=mπ（mは整数）でピークを持つ透過率プロファイルが得られます。これは、空洞の光学長がmλ/2（λは入射光の波長）のとき（垂直入射時）に相当する。Fが大きくなると、フリンジの幅はますます狭くなります。

図2：理想的なエタロンの透過率プロファイル

エタロンの仕様で重要なのは、隣接するピークの間隔であるFSR（Free Spectral Range）である。垂直入射の入射光に対するFSRは、次式で与えられる。
　　　
ここで、n は空洞の屈折率、d はプレートの間隔です。FSRとFWHMの比（透過ピークの帯域幅を表す表現）は、"finesse "と呼ばれます。十分に小さいδの場合、フィネスは次式で与えられます。

大雑把に言うと、フィネスはエタロンの狭帯域フィルターとしての性能をパラメター化したもので、フィネスが高いほど透過帯域は狭くなります。フィネスが高い場合、反射率の高い誘電体膜をキャビティ内部にコーティングし、反射率を高めることができます。エタロンは自由波長域が広く、共振器帯域幅が狭いため、高い分光分解能が得られ、分光分析やスペクトル解析に適しています。図3は、反射率の関数としてフィネスを示したものです。

図3: 反射率の関数としてのフィネス

物理学におけるすべての方程式と同様に、上記はすべて完璧な状況を想定しています。現実には、欠陥や組み立て部品の物理的な限界と品質により、実際のフィネスは理論上の反射率フィネスより低くなる。


図4：三大欠陥

図4は、エタロンの3つの主な欠陥の種類を示したものである。3種類の欠陥は、いずれも理想的に固定されたエタロン板間の距離にばらつきを生じさせ、その結果、フィネスが低下し、ピークシフトや解像度が低下する。理論的な反射率フィネスと実効的なフィネスを区別し、後者は欠陥を考慮したシステムのフィネスである。実効的なフィネスは、表面の平坦度や部品の公差に依存するほか、透明な表面の開口部にも依存し、開口部が小さいほどフィネスが高くなる。

また，板材の屈折率の不均一性は，平坦度の制限や表面の凹凸と同様に透過波面の変形に影響し，エタロン板が厚いほど問題が大きくなる。そのため、不均質度グレード4以上（ISO10110 Part4による）のガラス板の購入を検討することが望ましい。

MPOでは、太陽観測用エタロンの設計・製造に豊富な実績がありますので、エタロンのご注文については、お気軽にお問い合わせください。

 

References and further reading

Thin Film Optical Filters Third Edition, H. A. Macleod, Institute of Physics publishing, J W Arrowsmith LtD. Bristol, 2001, ISBN 0 7503 06887 2

Handbook of Optical Systems Volume 5, H. Gross (ed.), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KG, 2012, ISBN 978-3-527-40381-3

Optical Interference Coatings, N. Kaiser, H. K. Pulker, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2003, ISBN 3-540-00364-9