光物性工学(H1,2コース),物性物理学(Pコース),佐藤勝昭教官1998.4.14配布資料

ホームページhttp://www.tuat.ac.jp/~katsuaki/kougi.html


第1回(98.4.7)の授業の要点:Introduction

光物性工学には、基礎知識として電磁気学と量子力学が必要である。半年の講義は2部に分かれ、第1部では、光の伝搬を中心に光学定数、誘電率、反射率、偏光解析、磁気光学効果等について学ぶ。第2部では、物質の電子構造に基づいて、電子論から光物性に迫る。主として半導体の光学遷移について議論する。授業では、レーザポインタに用いられている「半導体レーザ」のこと、光ファイバ通信になぜ赤外線(波長1.3μm,1.5μm)が使われるか、光記録の分類と動向、など身近なエレクトロニクスに使われる光物性について対話型の授業を行った。また、光の波長と色についても話した。


第1回の問題回答

問題1:様々な光の色を3原色(赤、緑、青)で表すことができるのはなぜか。
解答:人間の網膜には赤の波長、緑の波長、青の波長に幅の広い感度をもつ視細胞があって、これらの細胞の刺激の程度によって色を識別している。このため、例えば、黄色の単色光を当てると、赤の細胞と、緑の細胞が同程度刺激され黄色と感じる。(参考:人間の視細胞には、錐状体と杆状体があるが、中心部にあって色を感じるのは錐状体である。)


質問への回答

  1. Q 金や銀の色はどうやって表現するのですか。(P清水)→A.金色は赤から緑にかけての反射率が高く、青や紫の反射率が高い場合に見られる金属光沢です。反射率が高いと周りの写り込みがあるため複雑な色に見えます。銀色は可視域全般にわたって反射率が高い場合です。(詳しくは、佐藤勝昭著「金色の石に魅せられて」(裳華房)をお読み下さい。
  2. Q 朝見える富士山が昼見えなくなるのは?冬の方が富士山がよく見えるのは?(P伊藤)→A.いずれも水蒸気が関係しています。後は自分で考えて下さい。
  3. Q レーザを焦点でもっと絞れるようになればCDの時間が長くなるのか(H2内田)→A.波長が半分になれば焦点でのスポットの直径は半分になり、記録容量は4倍になります。
  4. Q なぜCDは7色に見えるか(H2岡)→A.CDの表面には溝が切ってあります。この溝の間隔は約1μmです。これは一種の回折格子なので、回折と干渉によって色が付きます。
  5. Q LDはアナログということですが劣化するのか(H2岡野)→A.LDはFM(周波数変調)方式のアナログ記録なので、ディジタル式に比べると画質が劣ります。しかし、ディジタル式でもMPEGのような圧縮をした方式よりは動きに関してはスムーズです。
  6. Q CDもLDも同じと思っていたが違うのか(H2細谷、毛鳥)→A.CDはディジタル、LDはFM記録です。ピットの長短がアナログになっているのです。
  7. Q 三原色で表されない色はあるのか。(H1岡村)→A:カラーテレビの3原色として指定されている色では表現できない色があります。このため、NHK技研では、4原色による特殊なカメラとディスプレーの開発を行っています。これはアパレル関係の業界で試験的に使われているそうです。
  8. Q 光通信の光ファイバーは1本につき1回線しか使えないのか。(H1小川)→A.1本の線は1回線ですが、髪の毛くらいの細さなので沢山束ねてもあまりケーブルを太くせずに多くの回線を引くことができます。また、最近では、1本の光ファイバーに波長多重で何回線ものせることができるようになってきました。
  9. Q 光の三原色と色の三原色の違いは?(H2貝瀬)→A.光の場合はRGBの加色混合、色の場合はCMYの減色混合です。カラーフィルムは減色混合です。(C=シアン、M=マゼンタ、Y=黄色)
  10. Q 空が青い理由がよく分からない(H2斎藤)→A.太陽光が直接来るのでなく、空気の分子と衝突して別の方向からくるのが散乱光です。波長の短い光ほど強く散乱されます。従って、赤より、緑、緑より青が良く散乱されるので、散乱光は青く見えるのです。
  11. Q 衛星回線では音声や映像が遅れるといったが、光通信は衛星を通らないのか(H1渋谷)→A.光通信は、光ファイバーを地上、海底に敷設しています。衛星は通りません。
  12. Q 白や灰色や黒はどのように見えるのか(H2鈴木)→A.白や灰色のように色の付いていないのは、全ての波長の光が同程度あるからです。黒は全ての波長の光が来ないのです。
  13. Q SIL記録は熱によって記録するのか(H2田口)→A.記録は、光磁気記録の場合と同じキューリー温度記録です。
  14. Q 光ファイバーの材料はSiO2だが、原子振動が起こるモノならSiO2以外でも使えるのか(H2田澤)→A.君は、何か誤解していませんか。原子振動は光を散乱して、光の減衰を増やすので、もっと少なくしたいのです。それで、原子振動の周波数の低い(つまり波長の長い)フッ化物ファイバーが研究されているのです。
  15. Q 赤以外の発散(散乱の間違い?)色を合わせたら赤く見えるか(H2辻本)→A.決してそのようなことはおきません。
  16. Q 光を電気に変えずに増幅できる装置(EDFA)の原理が分からない。(H2中嶋)→A.Erbium-doped fiber amplifierといって、Erイオンを分散させた石英ガラスで作った光ファイバーに信号光に加え、ポンプ光と呼ばれる0.9μmのレーザ光を入力しますと、誘導放出が起きて増幅されます。詳細は、レーザのときに話します。
  17. Q Near-field記録がハードディスクに導入されるのは早い時期か?(H2沼尻)→A.試作機は今年中に発売されます。実際にコンピュータに導入されるには信頼性のチェックが必要です。
  18. Q Near-field記録を詳しく教えて欲しい。(H1宮下、H2山本)→A.光の伝搬の授業の中でエバネセント光の話をしてからでないと、理解できないと思います。
  19. Q どんな色も本当は他の色であるという可能性もあるのか(H2林辺)→A.人間が見ている色は照明の仕方でどうにでも変わります。例えば高速道路のトンネルのナトリウムランプで見ると全ての色がモノクロになってしまいます。
  20. Q |exp(ikx)|2=1(存在確率と言っていましたが)とは何ですか。何を読めば分かりますか。(P槙)→A.Pコースの人がこんな質問をするのは悲しいです。波動関数の絶対値の2乗が存在確率というのは、量子力学の基本です。授業では鶴淵先生の量子力学の講義をとって下さい。どんな量子力学の教科書にも書いてあります。
  21. Q H1・2コースに片寄っている。中立の教え方をして欲しい。(P増田)→A.私は突然Pコースに来たため、Pコースでどんな授業を習ったかをまだ理解していないので、どうしても電気電子系の学生を相手にしてしまいます。でも同じ電子情報工学科なのですから、今までPの先生が教えていない知らなくて良いということにはなりません。自分で、その穴を埋めるように努力して下さい。
  22. Q この1年でどれくらいHDDの容量が増えるのか(H2.山本)→A.10GB標準搭載になるでしょう。
  23. Q 虹の7色について知りたい(H1横山)→A.水滴による光の分散です。プリズムのように波長によって光の回折の角度が異なるので、色が分かれて見えます。
光物性工学へ