量子光学 （光学１）

未定 （光学１）

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12PHZZZ302

佐中　薫

Kaoru Sanaka

2024年度前期

2024/ First semester　

月曜3限

From 1300-14:30, Monday　　

理学部第一部　物理学科

Department of Physics, Faculty of Science Division Ⅰ

2.0単位

講義

Lecture

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① [対面]対面授業/ [On-site] On-site class

光の学問である光学は、古代ギリシャの視覚論から、幾何光学、近代における光の量子論、現代のレーザー工学、分光学、画像処理技術から、最先端の量子情報科学に至るまで、非常に広範囲かつ多岐にわたる内容を含む。また今日の技術職や研究においては、光やレーザーに関する課題に関わることが多くなり、どのような分野においても基本的な光学の理解が必要になっている。

Optics, a discipline of light, is very diverse, from ancient Greek visual theory, geometric optics, modern quantum quantum theory of light, modern laser engineering, spectroscopy, image processing technology, to advanced quantum information science. In addition, in today's technical profession and research, there are many issues related to light and laser, and it is necessary to understand basic optics in any field.

量子光学の講義では、広大な光学分野の全体像をとらえ、古典光学（幾何光学・波動光学）で説明が可能な現象をあえて量子光学でどのように考えるのかを紹介し、現代の光科学に関する様々な課題に対してどのように取り組むのか、という指針を得られるようにすることをめざす。本授業は物理学科のディプロマ・ポリシー項目1に定める「物理学の高度な専門知識」を身に付けるための科目である。 また、物理学科ルーブリックの評価軸2の「専門学力」の項目に該当する科目である。

The lectures on quantum optics aim to provide a comprehensive picture of the vast optics field and provide guidance on how to tackle various issues related to modern optics.

量子光学では様々な光学現象の解説をしていくが、それらがどのような歴史的経緯で発見されたのか、また量子論の観点からどのように解釈するかについても理解できるようになること。また干渉計、ビーム・スプリッタ、スペクトルメーター等、具体例を挙げながら紹介していくので、その光学現象が現代の光学技術にどのように応用されているかについて把握できるようになること。


In the lecture of Quantum Optics, I will explain various optical phenomena, but I will also be able to understand how they were discovered in historical history and how to interpret them from the viewpoint of quantum theory thing. In addition, we will introduce specific examples of interferometers, beam splitters, spectrum meters, etc., so that we can understand how the optical phenomenon is applied to modern optical technology.

リンク先の [評価項目と科目の対応一覧]から確認できます（学部対象）。
履修登録の際に参照ください。
​You can check this from “Correspondence table between grading items and subjects” by following the link(for departments).
https://www.tus.ac.jp/fd/ict_tusrubric/​​​

電磁気学1,2を履修済のほうが望ましい。

It is desirable to have completed electromagnetics 1 and 2.

小テストの実施　Quiz type test／実習　Practical learning

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参考書に目を通し、興味のある光学現象に関して自主的に予習して、講義中は積極的に質問することを推奨します。　

It is recommended that you read the reference book, prepare yourself for the optical phenomena you are interested in, and actively ask questions during the lecture.

出席した授業における提出課題の内容および授業内容に関するレポート提出課題をあわせて約50％、最終授業における評価試験の結果を約50%として、総合的に評価する。

The overall evaluation will be based on the content of the submitted assignments in the classes attended and the submitted reports on the class content (approximately 50%), and the results of the evaluation examinations in the final class (approximately 50%).

・S：到達目標を十分に達成し、極めて優秀な成果を収めている
・A：到達目標を十分に達成している
・B：到達目標を達成している
・C：到達目標を最低限達成している
・D：到達目標を達成していない
・-：学修成果の評価を判断する要件を欠格している

・S：Achieved outcomes, excellent result
・A：Achieved outcomes, good result
・B：Achieved outcomes
・C：Minimally achieved outcomes
・D：Did not achieve outcomes
・-：Failed to meet even the minimal requirements for evaluation

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教科書および一部の参考書は、MyKiTS (教科書販売サイト) から検索・購入可能です。
​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/​​​

It is possible to search for and purchase textbooks and certain reference materials at MyKiTS (online textbook store).
​​https://mirai.kinokuniya.co.jp/tokyorika/

現代光科学１，２　大津元一著　朝倉書店
ヘクト光学Ⅰ，Ⅱ, III　Eugene Hecht著　丸善出版

量子光学　松岡正浩著  裳華房

１　　過去と現代の光科学
物理学の中でも光学がどの様に発展し、現代の学術や産業にどのように結びついていくかを理解できるようになる。

２　　光の古典論と量子論
社会における光学の役割について概説する。特に同じ光学現象を、通常の古典光学による描像と、量子的な描像の両方から考えることで、より深く光の物理的性質について把握できるようになる。

３　　光速と屈折
光の屈折現象は通常、波の描像で考えるが、光速度と屈折の関係を考えたときに別の解釈が可能になることが理解でき、量子論の観点からも興味深いことがわかる。

４　　時間のコヒーレンス
光学の最も重要な概念の一つであるコヒーレンス（干渉性）の概念について解説し、フーリエ変換を通して時間と周波数に密接な関連があることを理解できるようになる。

５　　空間のコヒーレンス
コヒーレンスの概念は時間のみでなく光が伝播する空間に対しても適用され、特に天文学の分野で重要であることが理解できるようになる。

６　　様々な干渉計
様々なタイプの干渉計を構築することによって、干渉現象は距離測定や分光などに応用ができることが理解できるようになる。

７　　干渉計における思考実験
代表的な干渉計であるマッハツェンダー型の干渉計を例に、その位相関係や干渉計による思考実験を考え、そのしくみが理解できるようになる。

８　　多光束の干渉
ヤングの実験の拡張版である多光束の干渉の理論と、その応用が理解できるようになる。

９　　透過型・反射型回折格子
分光に用いられる回折格子の原理と、適切な回折格子を選択するための一般的なルールが理解できるようになる。

１０　　スペクトルメーターのしくみと分解能
回折格子の最も有用な応用であるスペクトルメーターのしくみと、その分解能について理解できるようになる。

１１　３次元回折格子
体積ホログラムを用いた３次元回折格子と、ブラッグ回折との関連が理解できるようになる。

１２　偏光の理論
波動光学の観点から、偏光の一般的な記述方法が理解できるようになる。

１３　反射と透過の偏光依存
物質における反射率と透過率の大きさが、光の偏光に依存して変化することが理解できるようになる。

１４　複屈折とジョーンズ行列
行列を使った簡易な方法で光の偏光状態変化を記述できることを学び、その応用について理解できるようになる。

１５　達成度評価試験と解説
これまでの理解度を、試験により評価する。

1. Past and modern optical science
2 Classical and quantum theory of light
3 Light speed and refraction
4 Coherence of time
5 Coherence of space
6 Various interferometers
7 Thinking experiment with an interferometer
8 Multi-beam interference
9 Transmission and reflection grating
10 Structure and resolution of spectrum meter
11 three-dimensional diffraction grating
12 Theory of polarization
13 Dependence of reflection and transmission on polarization
14 Birefringence and Jones matrix
15 Achievement evaluation test and commentary

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