2016/8/5 レーザーで実現する超精密な 物差しと時計 理工学部 数物・電子情報系学科 物理工学EP 洪 鋒雷 教授 概要 1. レーザー レーザーとは、レーザーの誕生、レーザーの応用、レーザー の特徴 2. 光の色（分光学）と物理学の発展 LEDの色とレーザーの色、ニュートンの分光実験、分光学と量 子論 3. レーザーによるデモ実験 回折格子による光の回折、オーダーエスティメーション 4. レーザーと物差しと時計 メートルの定義、最先端のレーザーである光コム、光時計と時 間の定義、新しい秒の定義と相対論の実証 大学で何を学べるのか？高校の勉強との違いは？ 何に役に立つのか？何が面白いのか？ 1 2016/8/5 レーザーとは Laser Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation （電磁波の誘導放出による光増幅） 共振器 光 レーザー媒質 光 励起エネルギー源 レーザーの誕生 • 1960年8月 メイマン（T.H. Maiman）らはルビーレー ザーの発振に成功 波長694 nm、パルス発振、周波数も出力も不規則 • 1960年12月 ジャバン（A. Javan）らは、He-Neレー ザーの連続発振に成功 波長1.15 μm、出力10 mW • 1962年9～12月 米国の4研究室で半導体レーザー の発振に成功 GaAsのpn結合、840 nm近赤外 GaAsP、710 nm 2 2016/8/5 レーザーの応用 • （家電）レーザーポインター、レーザープリンター、 レーザーマウス、CD・DVD、バーコードスキャナー • （通信）光ファイバー通信 • （工業）レーザーレーダー、レーザー測距、レーザー 切断、レーザー溶接、3Dレーザープリンター • （医療）レーシック、レーザーメス • （軍事）レーザー誘導、レーザー銃 • （娯楽）レーザーアート、レーザーライトショー • （科学）レーザー分光、レーザー冷却、レーザー核 融合 レーザー光の特徴 • コヒーレンス（なめらか、可干渉性） 同じ周波数：干渉縞 異なる周波数：うなり(ビート) • 単色性 E(t) = Acos(wt) Dwが小さい（スペクトルが狭い） レーザー分光に応用可能 • 指向性と集光性 回折理論 Dq = l/d dはビームの大きさ、lは波長 3 2016/8/5 水素原子分光の歴史 • 1885年 J.J. Balmer:水素スペクトルの観測 →実験式による予測、そして系列線の発見 • 1890年 H. Kayser, J.R．Rydberg:スペクトル線の数 式による表現 →リュードベリの式（経験式） • 1913年 N. Bohr:水素原子模型の提唱 →量子論の誕生 ★実験方法は回折格子を使った分光器 測定相対不確かさ10-6（100万分の1） 水素原子分光の精度向上 • バルマー線の分裂（微細構造） 20世紀初頭 ディラックの相対論的量子論で説明 電子のスピン、反粒子の存在 精度約10GHz（相対不確かさ10-6) • ラムシフトの観測 1947年 量子電気力学（QED）による説明 精度約1GHz（相対不確かさ10-7) • レーザー分光による水素原子の超微細構造の発見 核スピンによる超微細構造 レーザー分光の精度約1MHz（相対不確かさ10-10) 4 2016/8/5 大学での授業（何を学ぶのか） • 光科学の授業（3－4年） 原子分子のレーザー分光 光物理工学 光工学 光エレクトロニクス • 基礎的な授業（1－2年） 力学 電磁気学 熱力学 量子力学 レーザーを使ったデモ実験 • 高校で習う「波」 光の干渉と回折 回折格子 d sinθ = m λ d：回折格子の間隔、θ：回折の角度、m：回折 の次数、λ：光の波長 5 2016/8/5 問題 オーダーエスティメーション（Order estimation、概 算）を使って、授業で実演した回折格子の溝の間隔 （何本／mm）を計算せよ。ただし、実演で使った レーザーポインターの波長は532 nmである。 高校の勉強との違い：オーダーエスティメーション を使って、原理を検証する。細かい計算は後で電卓 をたたくか、コンピュータプログラムで計算する。 「メートル」の定義の変遷 10-12 86Kr ランプの波長 相対不確かさ 10-11 （1960~1983） 10-10 10-9 メートル原器 光の速さ （1889~1960） （1983～） 「秒」の定義と つながる 10-8 10-7 10-6 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 年 6 2016/8/5 国際間の長さ単位の統一を目指して １７９１年、フランス科学アカデミーの委員会 ①地球の北極から赤道までの子午線の長さの1000 万分の1 ②赤道の長さの4000万分の1 ③北緯45度の地点で、半周期が1秒になる振り子の 長さ（T = 2π ） 自然科学に根拠をもったものでなければ世界で共 通に使ってもらえない メートル原器からクリプトンランプへ メートル原器にはいくつかの欠点があった。 １）金属は温度の変化で伸び縮みするので、厳密な温度管理が必要。 ２）また、原器にある刻線がV字形で、測定に曖昧さが生じる。 ３）メートル原器という「もの」による定義では、紛失、焼損のおそれがある。 1900年代に入ると、光波干渉技術の進歩とともに干渉光源である同位元 素ランプの研究が進んだ。また1933年には、端度器ブロックゲージの干渉計 が開発された。 これらの研究成果を受けて、1960年の国際度量衡総会において、「メート ルは、クリプトン８６の原子準位2p10と5d5との間の遷移に対応する放射の真 空中における波長の1 650 763.73倍に等しい長さである」という新しい定義 が採択された。 原子標準（量子標準）誕生の瞬間であった。 7 2016/8/5 レーザー ー 電磁波 ー 波 時間標準 周期T = 1/f 周波数 周波数標準 正弦波 長さ標準 波長l l= c f 光の速さ（基礎物理定数） メートルの定義 メートルは、1/299 792 458 秒間に光が真空中を 伝わる行程の長さ 299 792 458 m/sは光の速さ 1983年の第17回国際度量衡総会において決定され た。 8 2016/8/5 レーザーによる物差し 周波数 Cs原子時計 波長 周波数安定化レーザー 実物の長さ 不確かさ ゲージブロック、標準尺、距離計など 1×10-15 光周波数の測定 10-11～10-14 干渉測定 5×10-8 各種比較手段 被測定対象 長さの トレーサビリティ 最先端のレーザー：光コム（1999年） 群速度≠位相速度 超短パルスレーザー T = 1/fr 光パルス列 分光器 （回折格子） 時間軸 フーリエ変換 fr = 1/T f0 = (Df/2p)fr 周波数軸 レーザーの周波数を測る道具 9 2016/8/5 光コムの広い応用 レーザーによる物差し 周波数 Cs原子時計 波長 周波数安定化レーザー 実物の長さ レーザーによる時計 ゲージブロック、標準尺、距離計など 不確かさ 1×10-15 光周波数の測定 干渉測定 10-11～10-14 -18 光時計10 5×10-8 各種比較手段 被測定対象 長さの トレーサビリティ 10 2016/8/5 時計の歴史 • 人類最初の時計－暦 古代エジプトのナイル川の定期的な氾濫を予測 • 天体現象（太陽や月の周期的な運動）－暦 日時計（夜や悪天候では使えない） • 水時計 中国で作られた機械じかけ（脱進機）の高精度な 水時計、長らく世界で君臨、天体観測に威力（寒い ところで水は凍るので使えない） • 砂時計（11世紀以降） • 機械式時計（教会など） 時計の歴史 • 振り子時計 1 Hz 1583年、ガリレオ「振り子の等時性」振幅や重りの 重さによらず一定、ホイヘンスが製作 • 経度測定のための海上時計－マリンクロノメータ *大航海時代、船舶が位置を見失い、遭難 *イギリス議会が1714年に「経度法」、経度の測定 方法に2万ポンドの懸賞金（現代で数億円） *時計技師ジョン・ハリソンが1759年に、H4を完成 *クロノメータと呼ばれ、経度決定に使われ、懸賞金 を手に入れた • テンプ－機械方式 懐中時計 • クォーツ（水晶）時計 5 Hz 32768 Hz（215 Hz） 11 2016/8/5 時間（秒）の定義の変遷 光時計 ? 15 地球の公転から定義 不確かさ（１０－X） 14 新たな標準 １年＝31556925.9747秒 13 12 （1956～1967） 地球の自転か ら定義 １日＝86400秒 11 Cs133原子に共鳴するマイ クロ波の周期から定義 （～1956） 10 １秒＝9192631770周期 （1967～） 9 8 原子時計５０年 7 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 年 光格子時計－18桁の精度 • 原子の光振動を利用した光時計の開発競争が激化。Hgイオ ン及びAlイオン(NIST)，Ybイオン(PTB), Srイオン(NPL) などの単 一イオン光時計が先行。 • 2001年，東大の香取秀俊教授が光格子中の中性原子を用い る「光格子時計」手法を提案。単一イオン光時計の性能を超 える可能性を持つ。 光格子時計 H. Katori, FSM, St Andrews (2001). ◦ 衝突シフトがない ◦ ドップラーシフトがない ◦ 原子個数が多い－＞S/Nの向上 ◦ マジック波長－＞光シフトキャンセル 秒の再定義 を目指して 12 2016/8/5 光時計の目指す世界 現在の技術で到達可能と考えられる不確かさ ～10-18 特殊相対論効果 t t¢ = n 歩く速さ(v=1m/s)による時計の遅れ 1 - (v / c ) 一般相対論効果 Dn 運動する物体の時間の遅れ = 5×10-18 2 重力ポテンシャルによる赤方偏移 DF gl » 2 c2 c 地球上で1cmの高さの違いによる 周波数シフト 1×10-18 究極の計測技術 ジオイド面の精密測定‥‥ 測地学への貢献 • 基礎物理定数の恒常性（a）の検証 基礎物理学への貢献 光時計の広い応用 • 時間（秒）の新しい定義 • 物理定数の恒常性の検証 • 一般相対性理論や特殊相対性理論の検証 • 資源探査 • 地殻変動や火山のマグマの動きの検出 • GPSの高度化 • 大容量高速通信ネットワーク 13 2016/8/5 大学の勉強 • 多くの授業は自分で選択できる • 覚えるより考える • 社会で解決が求められている問題へ直結 • 理系は4年の卒業研究が面白い ... ご静聴、ありがとうございました！ 14
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