透過型回折格子の構造と特性｜反射型との違いとVPHグレーティング

透過型回折格子の基本構造

透過型回折格子は、基板上に形成された周期的な構造に光を透過させ、回折現象を利用して波長ごとに光を分離する素子です。入射光と回折光が基板の同じ側ではなく反対側に位置するため、光学系を直線的に配置できる点が大きな特徴です。

格子の周期構造に光が入射すると、各スリットや屈折率変調部を通過した光波が互いに干渉します。波長ごとに強め合う方向が異なるため、白色光を入射した場合には各波長が異なる角度に分かれて出射します。この回折角と波長の関係はグレーティング方程式（d sinθ = mλ）で記述されます。

透過型回折格子は、構造の作り方によって大きく「表面レリーフ型」と「体積位相型（VPH）」の二種類に分類されます。それぞれ製造方法や光学特性が異なるため、用途に応じた選択が求められます。

表面レリーフ型と体積位相型（VPH）の違い

透過型回折格子は構造の原理によって性能が大きく異なります。表面レリーフ型と体積位相型（VPH）はそれぞれ独自の長所と制約を持つため、要求仕様に合わせた使い分けが重要です。

表面レリーフ型の構造と特徴

表面レリーフ型は、ガラスや樹脂の基板表面に微細な溝（グルーブ）を物理的に刻んだ構造です。機械罫刻やフォトリソグラフィによって製造され、溝の断面形状（矩形・ブレーズ・正弦波状など）を制御することで回折効率の最適化が可能です。

広い波長範囲で安定した性能を発揮しやすく、汎用的な分光用途に適しています。一方、表面に溝が露出しているため、ほこりや接触による損傷を受けやすく、取り扱いや実装時に注意が必要です。

体積位相型（VPH）の構造と特徴

体積位相型（VPH：Volume Phase Holographic）グレーティングは、ゼラチンなどの感光材料内部にホログラフィック露光で屈折率の周期変調を記録した構造です。格子構造が材料内部に存在するため、表面には凹凸がなく、機械的な耐久性に優れています。

VPHグレーティングは特定の波長帯域で高い回折効率を達成できる点が大きな強みです。ブラッグ条件を満たす波長・角度の組み合わせで効率が最大化されるため、ターゲット波長が明確な用途に適しています。

ただし、高効率を維持できる波長帯域や入射角度の範囲は表面レリーフ型と比べて狭い傾向があります。広帯域の分光に使用する場合は、設計段階での帯域幅の検討が欠かせません。

両者の比較

比較項目	表面レリーフ型	体積位相型（VPH）
格子構造の位置	基板表面（溝）	材料内部（屈折率変調）
製造方法	機械罫刻・リソグラフィ	ホログラフィック露光
回折効率	中〜高（広帯域で安定）	高（特定帯域でピーク性能）
帯域特性	比較的広帯域	狭帯域〜中帯域
機械的耐久性	表面損傷に注意が必要	内部構造のため耐久性が高い
散乱光（ストレイライト）	溝形状に起因する散乱あり	低散乱

反射型回折格子との比較

回折格子は透過型と反射型に大別されます。両者は光学系への組み込み方や得意とする波長域が異なるため、装置設計の初期段階で適切に選択することが重要です。

光学配置の違い

透過型は入射光と回折光が格子の反対側に出るため、光学系をインラインに近い直線的な構成にしやすい利点があります。これにより装置の小型化やアライメントの簡略化が期待できます。

一方、反射型は入射面と同じ側に回折光が戻るため、折り返し光学系を構成しやすく、検出器と光源を同じ側に配置できます。分光器の多くは反射型を採用しており、設計の自由度が高い点が強みです。

性能面の比較

比較項目	透過型回折格子	反射型回折格子
光学配置	直線的（インライン）	折り返し配置
対応波長域	紫外〜近赤外が中心	紫外〜赤外まで幅広い
回折効率	VPH型は特定帯域で高効率	ブレーズ波長付近で高効率
偏光依存性	構造によって異なる	構造によって異なる
基板材料の制約	使用波長で透明な材料が必要	反射コーティングで対応可能
装置の小型化	有利な場合が多い	折り返しにより奥行きを抑制可能

透過型は基板材料が使用波長に対して透明である必要があるため、赤外域など長波長側では材料選択が制約になる場合があります。反射型はコーティングの選択で広い波長域に対応しやすい点が優位です。

透過型が有利な用途と設計上の留意点

透過型回折格子はその光学配置の特性から、特定の用途で反射型よりも合理的な選択肢となります。ここでは代表的な適用場面と、設計時に確認すべきポイントを整理します。

透過型が選ばれる代表的な用途

• 小型分光モジュール：インライン配置による省スペース化が求められるハンディ型やオンライン計測用途に適している
• 天文観測用分光器：VPHグレーティングの高い回折効率と低散乱特性を活かし、微弱光の検出効率を高める
• 光通信用デバイス：波長多重・分波における直線的な光路構成を実現しやすい
• レーザーパルス圧縮：透過配置により光路の折り返しを減らし、系を単純化できる

設計時の留意点

透過型回折格子を採用する際は、基板材料の透過波長範囲を事前に確認する必要があります。使用波長域で吸収が大きい材料を選ぶと、回折効率に優れた格子構造であっても全体のスループットが低下します。

VPHグレーティングを使用する場合は、高効率帯域と実際の使用波長範囲が一致しているかの検証が欠かせません。入射角の変化に対する効率の感度も確認し、実装時の角度公差を考慮した設計が求められます。

また、表面レリーフ型では溝面の保護対策（保護膜や封止構造）を検討し、VPH型では湿度や温度変化による感光材料の劣化リスクを評価することも重要です。