光学 こうがく 台 だい 上 うえ で使 つか われるマイケルソン干渉 かんしょう 計 けい
マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい (マイケルソンかんしょうけい、英 えい : Michelson interferometer )はアルバート・マイケルソン が発明 はつめい した最 もっと も一般 いっぱん 的 てき な干渉 かんしょう 法 ほう 用 よう 光学 こうがく 機器 きき である。光 ひかり のビームを2つの経路 けいろ に分割 ぶんかつ し、反射 はんしゃ させて再 ふたた び合流 ごうりゅう させることで干渉 かんしょう 縞 しま を生 う み出 だ す。2つの経路 けいろ の長 なが さを変 か えたり、経路 けいろ 上 じょう の物質 ぶっしつ を変 か えたりすることで、様々 さまざま な干渉 かんしょう 縞 しま を検出 けんしゅつ 器 き 上 じょう に生成 せいせい する。マイケルソンとエドワード・モーリー は、この干渉 かんしょう 計 けい を使 つか って有名 ゆうめい なマイケルソン・モーリーの実験 じっけん (1887) を実施 じっし した。この実験 じっけん によって様々 さまざま な慣性 かんせい 系 けい において光速 こうそく が一定 いってい であることが示 しめ され、エーテル 説 せつ が否定 ひてい されることになった。
マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい には精密 せいみつ に磨 みが かれた2つの鏡 かがみ がある。光源 こうげん から単色 たんしょく 光 こう を発 はっ し、それが光線 こうせん に対 たい して斜 なな めに置 お かれたビームスプリッター にあたる。ビームスプリッターはいわゆるハーフミラーになっていて、光線 こうせん の一部 いちぶ はそのまま透過 とうか して一方 いっぽう の反射 はんしゃ 鏡 きょう に向 む かい、別 べつ の一部 いちぶ は反射 はんしゃ されてもう一方 いっぽう の反射 はんしゃ 鏡 きょう に向 む かう。それぞれの反射 はんしゃ 鏡 きょう で反射 はんしゃ された光線 こうせん はビームスプリッターに戻 もど って合流 ごうりゅう し、一部 いちぶ は光源 こうげん とは異 こと なる方向 ほうこう へ進 すす む。そこに検出 けんしゅつ 器 き を置 お いておくと干渉 かんしょう 縞 しま が観測 かんそく できる。
マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい における光 ひかり の経路 けいろ
光源 こうげん から検出 けんしゅつ 器 き までの経路 けいろ は2つある。一方 いっぽう はビームスプリッター で反射 はんしゃ されて図 ず の上 うえ の方 ほう の鏡 かがみ に向 む かい、反射 はんしゃ されてビームスプリッターを透過 とうか して検出 けんしゅつ 器 き に向 む かう。もう一方 いっぽう はビームスプリッターを透過 とうか して右 みぎ 端 はし の鏡 かがみ に向 む かい、反射 はんしゃ された後 のち ビームスプリッターで反射 はんしゃ されて検出 けんしゅつ 器 き に向 む かう。単色 たんしょく 光源 こうげん から発 はっ せられた並行 へいこう 光線 こうせん がビームスプリッターに当 あ たったとき、基本 きほん 的 てき に反射 はんしゃ する光線 こうせん と透過 とうか する光線 こうせん は同 おな じ強 つよ さになる。どちらの光線 こうせん も可 か 干渉 かんしょう 光 こう である。つまり、マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい は1つの光源 こうげん からの光 ひかり を分割 ぶんかつ することで可 か 干渉 かんしょう 光 こう を生 う み出 だ している。
2つの経路 けいろ の長 なが さの差 さ が波長 はちょう の整数 せいすう 倍 ばい (0を含 ふく む)の場合 ばあい 、2つの光線 こうせん は互 たが いに強 つよ め合 あ うように干渉 かんしょう し、検出 けんしゅつ 器 き は強 つよ い信号 しんごう を検出 けんしゅつ する。経路 けいろ 長 ちょう の差 さ が波長 はちょう の整数 せいすう 倍 ばい と2分 ぶん の1の場合 ばあい (例 たと えば、0.5波長 はちょう 、1.5波長 はちょう 、2.5波長 はちょう など)、2つの光線 こうせん は互 たが いに弱 よわ め合 あ うように干渉 かんしょう し、検出 けんしゅつ 器 き は弱 よわ い信号 しんごう を検出 けんしゅつ する。これは一見 いっけん するとエネルギー保存 ほぞん の法則 ほうそく に反 はん しているように思 おも われる。しかし実際 じっさい にはビームスプリッターにおいて弱 よわ められた部分 ぶぶん のエネルギーが強 つよ められた部分 ぶぶん に再 さい 分配 ぶんぱい されており、エネルギーは保存 ほぞん されている。干渉 かんしょう の効果 こうか により、検出 けんしゅつ 器 き に向 む かう反射 はんしゃ 光 こう と光源 こうげん の方向 ほうこう に戻 もど る光 ひかり の配分 はいぶん が変化 へんか する。
1800年代 ねんだい 末 まつ には、干渉 かんしょう 縞 しま を得 え るために放電 ほうでん 灯 とう 、フィルター、細 ほそ いスリットや針 はり 穴 あな を使 つか っていた。マイケルソン・モーリーの実験 じっけん では、光源 こうげん として星 ほし 明 あ かりを使 つか ったこともある。星明 ほしあか りは時間 じかん 的 てき コヒーレンス がない光 ひかり だが、点 てん 光源 こうげん であるため空間 くうかん 的 てき コヒーレンスがあり、干渉 かんしょう 縞 しま を生成 せいせい できる。
同心円 どうしんえん 状 じょう の干渉 かんしょう 縞 しま が確認 かくにん できる。光源 こうげん はナトリウムランプ を使用 しよう 。
マイケルソン本人 ほんにん の制作 せいさく した干渉 かんしょう 計 けい では、精度 せいど 向上 こうじょう のためか可動 かどう 部 ぶ は少 すく なく、鏡 かがみ 全部 ぜんぶ を載 の せたテーブルの軸 じく の回転 かいてん 軸 じく 1個 いっこ だけが、可動 かどう の機構 きこう である(光源 こうげん は別 べつ 部品 ぶひん )。回転 かいてん すると、光源 こうげん の軸 じく に対 たい して鏡 かがみ の位置 いち がずれる。そして、その回転 かいてん 台 だい を、水銀 すいぎん で浮 う かせる水銀 すいぎん 浮遊 ふゆう 法 ほう の方式 ほうしき を用 もち いている。マイケルソンの実験 じっけん での水銀 すいぎん 浮遊 ふゆう 法 ほう の目的 もくてき は、磨耗 まもう などを防 ふせ ぐためや、荷重 かじゅう の低減 ていげん が目的 もくてき であるとされている[1] 。
マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい のよく知 し られている応用 おうよう としてマイケルソン・モーリーの実験 じっけん があり、特殊 とくしゅ 相対性理論 そうたいせいりろん の証拠 しょうこ を提供 ていきょう することになった。現在 げんざい でも、マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい は調整 ちょうせい 可能 かのう な狭 せま 帯域 たいいき フィルターとして、あるいはフーリエ変換 へんかん 分光 ぶんこう (英語 えいご 版 ばん ) の中核 ちゅうかく として様々 さまざま に応用 おうよう されている。
世界 せかい で最初 さいしょ に重力 じゅうりょく 波 は の直接 ちょくせつ 検出 けんしゅつ に成功 せいこう したLIGO 、LIGOに続 つづ いて重力 じゅうりょく 波 は の直接 ちょくせつ 検出 けんしゅつ に成功 せいこう したVirgo干渉 かんしょう 計 けい 、岐阜 ぎふ 県 けん の神岡 かみおか 鉱山 こうざん 跡 あと に建設 けんせつ されたKAGRA などの主要 しゅよう な重力 じゅうりょく 波 は 検出 けんしゅつ 装置 そうち は、いずれも巨大 きょだい なマイケルソン干渉 かんしょう 計 けい である。また恒星 こうせい の近 ちか くに存在 そんざい する惑星 わくせい を検出 けんしゅつ するために使 つか うといった興味深 きょうみぶか い用途 ようと もある。通信 つうしん 分野 ぶんや では、DWDM ネットワークで位相 いそう 変調 へんちょう から振幅 しんぷく 変調 へんちょう への変換 へんかん に使 つか われる遅延 ちえん 線 せん 干渉 かんしょう 計 けい (英語 えいご 版 ばん ) の原理 げんり としても使 つか われている。医学 いがく では、眼 め 科学 かがく の分野 ぶんや で光 ひかり 干渉 かんしょう 断層 だんそう 計 けい という眼底 がんてい 検査 けんさ を行 おこな う装置 そうち にマイケルソン干渉 かんしょう 計 けい の原理 げんり が用 もち いられている。
しかし、他 た の多 おお くの用途 ようと ではマッハツェンダー干渉 かんしょう 計 けい の方 ほう が扱 あつか いやすい。
非線形 ひせんけい マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい [ 編集 へんしゅう ]
非線形 ひせんけい マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい またはステップ位相 いそう マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい は、マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい の一方 いっぽう の鏡 かがみ をGTエタロン に置 お き換 か えたものである。GTエタロンによる位相 いそう 変化 へんか は波長 はちょう に依存 いぞん し、ステップ的 てき 振 ふ る舞 ま いを示 しめ すので、非線形 ひせんけい マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい には特定 とくてい の用途 ようと がある。例 たと えば、光通信 ひかりつうしん では光 ひかり インターリーバ で利用 りよう されている。
マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい の2つの鏡 かがみ をどちらもGTエタロンで置 お き換 か えることもできる。そのような非線形 ひせんけい マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい はさらに非線形 ひせんけい 性 せい が強 つよ まり、非対称 ひたいしょう 光 こう インターリーバの構築 こうちく に使 つか うことができる。
マイケルソン干渉 かんしょう 計 けい の一方 いっぽう の鏡 かがみ を小 ちい さな球形 きゅうけい の鏡 かがみ にして、光源 こうげん にレーザー を使 つか ったものを不等 ふとう 光 こう 路 ろ レーザー干渉 かんしょう 計 けい (LUPI)と呼 よ ぶ。望遠鏡 ぼうえんきょう の反射 はんしゃ 鏡 きょう の検査 けんさ などに使 つか われている。
F. Gires, and P. Tournois (1964). “Interféromètre utilisable pour la compression d'impulsions lumineuses modulées en fréquence”. Comptes Rendus de l'Académie des Sciences de Paris 258 : 6112–6115.
^ クリス・エヴァンス 著 ちょ 、橋本 はしもと 洋 ひろし ・上野 うえの 滋 しげる 共 ども 訳 やく 『精密 せいみつ の歴史 れきし 』、大河 おおかわ 出版 しゅっぱん 、2001年 ねん 11月28日 にち 再版 さいはん 、184ページ