さまざまな干渉計：マイケルソン干渉計（１）

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本シリーズでは干渉計の分類の記事内の図１のように干渉計を分類しており、今回は線形光学干渉計の１種である「マイケルソン干渉計」について紹介する。

マイケルソン干渉計は光路に２つに分けて反射させ、再び合流させることで干渉縞を生み出す装置であり、最も一般的な干渉計として知られている。２つの光路差を干渉縞として観測することで、光の波長や屈折率、長さの微小な変化を高精度に測定することが可能であり、光学実験や精密計測に広く用いられる。1881年頃にMichelsonが発明し、1887年にマイケルソン・モーリーの実験で使用された。

この干渉計は１つのビームスプリッタと２つのミラーで構成される。図１にマイケルソン干渉計のレイアウトを示す。光源（図１ではレーザーで表記）から出た光線はビームスプリッタ（BS）に当たり、２つの光路に分けられる。それぞれの光はミラーで反射し、再びBSに戻って合波し、光路差に応じたフリンジ（干渉縞）がスクリーンに出力される。

 

図１：マイケルソン干渉計のレイアウト

 

マイケルソン干渉計が用いられる代表例として、フーリエ変換赤外分光計(Fourier Transform Infrared Spectroscopy、FTIR)を紹介する。FTIRは赤外線を使って物質の化学構造や組成を解析する強力な分析手法である。図２左にFTIRのレイアウトを示す。赤外線光源から出た光線はコリメータレンズによって平行な光束に変換され、ビームスプリッタ（BS）により２つの光路に分けられる。一方の光は固定鏡で反射し、もう一方の光は移動鏡で反射した後、BSに戻って合波し干渉縞が生じる。合波した光線は試料を透過し、集光レンズによって検出器上に集められる。FTIRでは、まず合波した光線が試料を通過する際に、試料の特性に応じて特定の波長が吸収される。加えて、可動鏡を移動させることで光路差が発生し、これにより干渉縞の強度が変化する。この強度の時間変化と光路差の関係を検出器で取得する。取得した強度変化データをフーリエ変換することで、最終的に波長ごとの吸収スペクトルを得ることができる（図２右）。変換の詳細については、別記事「フーリエ分光器の利得（１）：基本構成と原理」を参照されたい。

 

図２：FTIRのレイアウト（左）と、検出器で得られるデータのイメージ（右）

 

次回も引き続きマイケルソン干渉計の解説を行う。