「素粒子宇宙物理研究のための実験観測技術入門」 （ものづくり講義） 光学に対する関心の巾： ① 知る ② 使う ③ 研究 15.06.04 ものづくり2015 (工夫／発展)する 1 『OPTICS』 E. Hecht 尾崎・朝倉訳 『光学』 丸善 I. 基礎と幾何光学 II. 波動光学 1 簡単な歴史 7 波動の重ね合せ 2 波動 8 偏光 3 電磁波、光子、光 9 干渉 4 光の伝搬 10 回折 5 幾何光学 I 6 幾何光学 II 15.06.04 ものづくり2015 2 1）幾何光学＝＞光線 2）波動光学 17世紀 1）屈折と反射の法則 スネルの法則 n 19世紀前半 光波 ヤングの複スリット実験（干渉） フラウンホーファー n λ フレネルの波動論 19世紀後半 電磁波 ※ホイヘンスの原理（素元波） ※フェルマーの原理（最短時間） ※偏光（ホイヘンス） ※回折（グリマルディ） ※ニュートン・リング 3）量子光学：光子 15.06.04 光速度の測定 マックスウェルの方程式（電磁波） ヘルツの屈折、反射、回折、偏光 実験 4）量子光学：量子 20世紀前半：hν 20世紀後半 状態 Φ スペクトル系列（バルマー） 黒体放射（プランク） 光電効果（アインシュタイン） 半導体 “状態”のパラドックス 波束の収縮 量子もつれ 情報理論 量子コンピュータ／暗号 ものづくり2015 3 望遠鏡 センサー 物理素過程 望遠鏡⇒センサー 位置／角度 スペクトル 分解能 分解能 すばる Keck I+II VLT -I Si-CCD 反射（N/Cs/Nm）＋屈折 Al面（蒸着／スパッタ） 大気乱れ ~1” Adaptive⇒λ/D 干渉計 ⇒λ/L FUSE GALEX Si-CCD （斜め入射）反射 光学系 あかり Spitzer Herschel 半導体 ボロメータ 反射 電波 ALMA Arecibo SIS - X:Y Al 生地／ペイント X線 Chandra すざく Si-CCD γ線 Mev Fermi 可視 紫外 赤外 Gev Tev 粒子線 重力波 15.06.04 HESS/MAGIC CTA At Ω 鏡面 Si-C 回折 λ／D Uir 鏡面 金？ 回折 λ／D Ae （斜め入射）反射（Wolter） カロリメータ Super 多層膜 mirror 光学系 Ux 積層 SiSi-CCD 筒箱長？ ステレオ 素 粒 子 積層 Si-半導体 空気シャワー⇒チェレンコフ光 カミオカンデ かぐら／LIGO ものづくり2015 4 望遠鏡と測定装置 ①ー望遠鏡 １）望遠鏡と顕微鏡：「見る」 無限遠／近距離物点からの光を“一点”に集める ２）レンズと鏡 焦点：f レンズの式 ３）望遠鏡の形式 光学系＋架台（＋測定器） ４）いろんな望遠鏡 ガリレオ望遠鏡から最先端望遠鏡まで４００年 ②ー測定装置 １）撮像： 角度 θ ２）分光： 波長 λ ３）偏光： 横波ベクトル σ ４）観測装置 15.06.04 ものづくり2015 5 焦点をもつこと • 焦点 角度：θ＝＞位置：x／y • 平行（光）が（一）点に結ぶ 結像 レンズ 1/f=( -1)(1/ 1-1/ 2) レンズ作りの式 鏡 f= 2 n= –1 15.06.04 “等しい<光学距離>” ものづくり2015 6 近軸光線近似：レンズの式 1/a + 1/b = 1/f b 1/a + 1/b = 1/f ＝＞ (a-f)(b-f)=f2 顕微鏡 と 望遠鏡 f < a < 2f 15.06.04 2f < a ものづくり2015 グラフ 化 a=b f a f 7 II-2 近軸光線から ⇩ sin θ = θ - θ3/3! ザイデルの 5 収差へ F3 等–光路長条件 F2・θ アッベの正弦条件 F・θ2 F・θ2 θ3 15.06.04 ものづくり2015 8 回折 広がる 波 Diffraction 干渉 重なる Interferrence 波 sin(kx−ωt) コリレーション Δω・Δt〜1 ! Δx・Δk〜1 k=1/λ コヒーレンス ! λ/D cΔt〜Δl 大きさ ≷ 波長 光線 ≷ 光波1 光線!光波 空間分解能＝解像度 15.06.04 ものづくり2015 可干渉長 Δl 分光器 9 分光 プリズム n（λ） 格子 平行平面 grating エタロン板 2d/cosθ=mλ d sinθ=mλ 0次 0次 15.06.04 ものづくり2015 10 格子 平行平面 grating エタロン板 0次 0次 Grism グリズム 15.06.04 Blaze格子 ブレーズ ものづくり2015 1. マイケルソン干渉計 2. フィゾー干渉計 3. ファブリ・ペロー干渉計 4. ー ー ー 干渉計 5. ー ー ー 6. ※. 反射防止膜 ※．シャボン玉 11 15.06.04 ものづくり2015 12 15.06.04 ものづくり2015 13 15.06.04 ものづくり2015 14 回折格子（反射型）のよくある使い方 格 子 望 遠 鏡 コリメータ 15.06.04 ものづくり2015 15 650 kg TRISPEC 1994~2001 [2002~2005] 2006~2011 1 m too advanced too heavy 15.06.04 ものづくり2015 16 “波の分割”という面から 波面分割 振幅分割 “横” transversal “縦” longitudinal “across” “along” 格子 エタロン板 半透鏡 (空間分解能) [λ：X] スペクトル [λ0：X/Y] 画像 時間 [t] [λ：X/Y] 画像＋スペクトル 15.06.04 ものづくり2015 17 分光法 ( （ ー ／ CCD ／ ） ） 振 幅 分 割 縦 （ （ ものづくり2015 光 ） 15.06.04 分 光 分 割 ) 波 面 分 割 横 ー 平 行 平 面 板 格 子 透 過 ／ 反 射 18 位置／角度 スペクトル 分解能 分解能 Si-CCD 反射（N/Cs/Nm）＋屈折 Al面（蒸着／スパッタ） 大気乱れ ~1” Adaptive⇒λ/D 干渉計 ⇒λ/L 回折格子 FUSE GALEX Si-CCD （斜め入射）反射 光学系 回折格子 あかり Spitzer Herschel 半導体 ボロメータ 反射 回折 λ／D 回折格子 電波 ALMA Arecibo SIS - X:Y Al 回折 λ／D ヘテロダイン方式 X線 Chandra すざく Si-CCD （斜め入射）反射 カロリメータ （Wolter） Super 多層膜 mirror 光学系 CCD γ線 Mev Fermi 積層 SiSi-CCD 筒箱長？ ステレオ 望遠鏡 センサー 物理素過程 望遠鏡⇒センサー 可視 すばる Keck I+II VLT -I 紫外 赤外 Gev Tev 粒子線 重力波 15.06.04 HESS/MAGIC CTA 鏡面 Si-C 鏡面 金？ 生地／ペイント 積層 Si-半導体 空気シャワー⇒チェレンコフ 光 カロリメータ NaI, CsI? 空気シャワー （チェレンコフ光） サイズ カミオカンデ かぐら／LIGO ものづくり2015 19
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