光の干渉性について

「波長632.6 nmのHe-Neレーザの周波数幅は約1MHzですので、Coherent長は300 m。時間に換算すると，300 m/(3×10^８m/s)＝1μ秒。He-Neレーザ光は，1μ秒以内であれば，出てきた光波が干渉できる。一般の原子の自然放出における典型的な値は1n秒程度。Coherent長に直すと数十cm。」という記載がNetにあります(宮崎大学名誉教授、黒沢宏)。T＝1/Δf＝1μ秒 → Coherent長＝ℓc＝cT より、(3･10^８ m/s)･(1μ秒)＝300 m、となる。。

ここで質問です。
C1）一般の光源の場合、可視光の単色光線を取出した場合、半値幅が10nm位あると思います。
波長λ＝620nmと630nmの光が、λの距離を進んだ時、10nmの違いがあるから、63λの距離を進んだ時、その10倍の違いが生じて、約１λの差が生じ、その混合光の干渉性が失われるように思います。
63λ＝39690nm＝39.69μm。半値幅が1nmとしてもその10倍で、396.9μm≒0.4mm。
λ/2の差が生じた所で電場の位相が逆になるからもっと短いはず。上記の数十cmも可干渉性である事を説明できません。どこが間違っていますか?
通常の単色光線で数十cmの可干渉性という根拠をご存知の方はおられませんか？、

C2）分子中で電子が遷移して光を放出する場合、Franck-Condon遷移で、約10^-15 s位で遷移を終了するといいます。光速c＝3×10^８ m/s として、その間に光が進む距離＝(3×10^８m/s)(10^-15s)＝0.3μm、となります。1個の電子が遷移して1個の光子を放出する場合、その光子の波の長さは幾ら位ですか?　 0.3μm位と思ってよいのでしょうか？
１個の光子の波の長さは短いが、誘導放射で周辺の原子が位相を揃えて遷移するから、該数十cmになるのでしょうか？

C3）上記の波長632.6 nmのHe-Neレーザの周波数幅は約1MHzというのは、半値幅でいえば、
なんnm でしょうか？

質問者からの補足コメント

• 補足。
  A1）あるNet-Siteでは、少しλの違う正弦波を重ねて示し、出発点では位相が同じでも、距離が進むにつれて、位相差が拡大し、可干渉性が無くなると書いている。
  https://www.cybernet.co.jp/optical/course/word/k …
  
  A2）別のSiteでは、ヤングの干渉実験で、λR/a＝Coherent長、R＝光源からSlitまでの距離、a＝光源の大きさ(直径)、と書いている。これだとRが大きいほど、干渉長が長くなる、という。
  上の2つは相反する事を言っております。
  小孔を通して絞った光は干渉性があり、ヤングはこれを2つの近接小孔を通して干渉実験を成功させた。

    補足日時：2019/10/06 12:10

• 字数制限の為、前項の続きです。
  A3）Michelsonの干渉実験では、光源と干渉する位置までの光路長はずいぶん離れています。数十m。
  レーザ光線のない時代にちゃんとした干渉実験を成功させています。
  
  これらを見ると、A1）の説明は誤りのように感じますが、如何でしょうか？

    補足日時：2019/10/06 12:12

• 

  ご回答有難うございます。
  ＞これらは全く別物です。
  https://optipedia.info/opt/optics/coherence-leng …　　によると、
  Cohe(Coherentの略)時間×光速c＝Cohe長 、の関係にある。だから、Cohe時間とCohe長は、全く別物ではないと思いますが？　
  
  スペクトル線の帯域幅の逆数をCohe時間 or 可干渉時間という。だから、帯域幅が大きい程、Cohe時間は短い。A1）はこれを説明したもので、それはそれで正しいのでしょう。
  しかし、一方は距離Rが長くなる程、干渉性が落ち、A2）は干渉性が良くなるという。
  もやもや感が残ります。
  その他の質問も含めて、明快に説明できる人はいませんか？

    補足日時：2019/10/06 16:16

• 

  ＞レーザー光の干渉のし易さの一番の原因は、光子の継続数nが自然光よりも長大であることが原因であると考えます。
  
  ・幾ら線幅が狭くて、位相が揃ったレーザー光線でも、別の光源の光間では干渉しないのではありませんか？なぜ干渉しないのでしょうか？継続数だけの問題なのでしょうか？　別の光源光同志が干渉したという実験例をご存知ですか？

    補足日時：2019/10/08 10:13

• No.6の方が引用の　　<https://askjapan.me/q/-34048965071 >
  というsiteはアクセスできませんでした。
  現在も生きているsiteですか？

    補足日時：2019/10/13 20:23

• C3）に対し、回答できる人は誰もいないのでしょうか？

    補足日時：2019/10/14 10:44

• 追加質問があります。
  C8）上記の黒沢教授の記載で、「一般の原子の自然放出における典型的なCoherent長は数十cm」という記載は、間違っているとみてよろしいですか。No.1の回答と異なっております。
  どちらが正しいのでしょうか？
  
  C9）該He-Neレーザの周波数幅は約1MHz＝波長幅で1.3･10 ^-6 nm という計算ですが、
  余りにも波長幅が狭いので、？と思っていました。実際に波長幅で該値である事を書いた文献はありますか。該計算の定義式を書いた文献はありますか。
  前田譲治教授の光工学の本(技術評論社、P147)を見ると、Single-Modeの半導体レーザで、
  0.1nm位の値と読み取れますが。

    補足日時：2019/10/18 09:26

• C8）「こんな事すら」、というのは失言で、削除します。
  現代科学は素晴らしいです。

    補足日時：2019/10/19 12:10

• ご回答有難うございます。
  
  C9）に関する私の質問は、「実際にPrismで分光して実測した該Laser光線の線幅と文献を誰か知りませんか？」、という事になります。Δfから計算したΔλ値ではありません。

    補足日時：2019/10/19 15:02

• C8）明確に答えられる人が誰もいないという科学の現状が分りました。
  
  C8）は全文を削除します。下らない事を書きました。

    補足日時：2019/10/20 12:38

No.10 回答者： tknakamuri 回答日時： 2019/10/20 10:50

>C8）こんな事すら明確に答えられる人が誰もいないという科学の現状が分りました。

まだやってたんですね。

相変わらず傲岸不遜だなあ~。
これじゃ回答はあつまるわけありませんよ。

AN01にも書きましたが、個々の原子の放つ光と、
それが何億/何兆も集まって合成された光の性質は全く違います。

レーザーの誘導放出では個々の原子間で位相の「同期」が起きるから
高いコヒーレンスを持ちますが
自然放出では個々の原子がバラバラに光を放つので、位相相関は
単独の原子の放つ光より当然ひどく「濁って」しまう。
だから数字が違って当たり前なんですよ。

ネットの情報の破片ではなく、きちんと光学の専門書を基礎から学び
正確な予備知識を理解しつつ数字に接することをお勧めします。

それと、既に大学を離れてしまった身では、論文へのアクセスは
手間がかかります。証拠を示せと言われても、そこまであなたの為に
時間をさけません。

現役の学者に頼むか、自分で探しましょう。
ある程度金がかかることを覚悟して下さい。

https://rnavi.ndl.go.jp/research_guide/entry/pos …

No.9 回答者： d9win 回答日時： 2019/10/19 13:07

物理の現役の専門家は、まず本サイトを見てないと思います。

ですから、まともな回答が無くとも、それが現状を表していると考えるのは間違いでしょう。世の中には、実に深く考え理解している人が居るものです。
ただ、光とか電子とかが分かってないというようなことも確かなのです。

さて、レーザー光の線幅の件ですが、不確定性原理まで持ち出すまでもないと思います。次のサイトはレーザーメーカーのサイトの様ですが、具体的な話が出てます。周波数幅として1MHzから1GHzまでの数値が現れてます。不確定性原理は出てきません。私は、きちんと理解することが出来ませんが、あなたが考える際の参考になると思います。
天下り的な答えを求めるのでなく、自分で考えて納得して行くしかないと思います。考える材料も、まずは自分で探すべきでしょう。それがやり易い世の中になっていると思いますよ。
<https://www.pneum.co.jp/note/centerwavelength-sp … >

No.8 回答者： d9win 回答日時： 2019/10/19 04:39

私には答える見識がないのですが、今回の質問に対しては一般論として以下のように思います。

C8) 根拠が記載されてない一般人の意見よりも、教授と名の付く方の説に重きを置くのが常識でしょう。

C9) 10^-6 nmは余りに小さいと私も思います。ただ、この数字は半値幅を1MHzとする前提の計算です。1MHzという数値が小さすぎるのだと思います。波長幅0.1nmに対応する周波数幅が10^5MHz = 10GHzであるだけのことだと考えます。

この回答へのお礼

ご回答有難うございます。
C8）こんな事すら明確に答えられる人が誰もいないという科学の現状が分りました。

C9）線幅＝1MHzとして1.3･10^-6 nm≒1.3fm、になります。これはH原子1個の直径の1/10万、の長さです。LaserのCavityの鏡面間の間隔は、nλ/2 になっていますが、それだけの精度を出すには、該間隔もその精度が必要と思います。それは不可能な精度と思います。
だからNo.7の方の計算式が間違っているのではないかと疑っています。
Δfというのは、不確定性原理のΔω･Δt≦2π→Δf･Δt≦1、から来たもので、Cohe時間＝Δtに由来し、Δλとは結びついていないのではありませんか？　だから、authorizeされた関係式があるのかを尋ねた訳です。次のSiteでは、線幅1kHzを掲げており、それだと更にその1/1000の精度が必要です。
https://www.optoscience.com/maker/necsel/lineup/ …

お礼日時：2019/10/19 11:09

No.7 回答者： d9win 回答日時： 2019/10/14 16:02

<

https://askjapan.me/q/-34048965071 >は生きてます。<>中の文字から最後の空白を除いたhttpアドレスを用いればよいです。

C3) 周波数比[10^6/ (3^8 / 632.6^-9)]に632.6nmを掛けた1.3^-6nmになると思います。

C5) 勿論、アマチュアの個人的意見です。ただ、間違ってないと思います。光の構造が分かっておれば、Feynmanは必ずどこかに書いているでしょう。ちなみに、彼は量子力学を分かっている者は(自分も含めて)誰もいないと書いてます。

C6) 山や谷の存在よりも、そもそも媒体があるかないかが肝心な点だと思います。媒体を進行する波ならば、２つの波が接触すると必ず干渉現象は起こると考えます。ところが、真空中を伝播する光子波や電子波では必ずしもそうとは言えないと考えます。

C7) 電子を点と見なすよりもヒモと見なす方が考えの幅が広がりますね。点もヒモが固まったものと解釈し得る訳ですし...。ヒモと見なした方が進歩ではないかと思います。
ただ、数式で表されるモデルを構築して、例えばボーアがリュードベリ定数を何桁にも渡って正確に算出したように(例え本当は間違っていても)具体的な現象の説明が出来なければ役に立たないと思います。電子を雲と表すのは一応数式で表されています。現時点では、この点で電子雲の方が決定的に優位だと思います。

この回答へのお礼

何回もご回答有難うございました。
光子の実態は分っていない事が分りました。

お礼日時：2019/10/15 14:03

No.6 回答者： d9win 回答日時： 2019/10/12 13:36

光子の形状は議論しないというのが常識のようです。

例えば、"光子の長さ"で検索すると"光子の寸法、幅、長さは？ - ここに答える"というサイトがありましたが、そこでの結論もそのようです。<https://askjapan.me/q/-34048965071 >

なお、光子の長さが波長程度ではないかと言う説は、今井 功 著 "電磁気学を考える" §9 (ii)光子に載ってます。ただ、論理を尽くして強く主張しているのではなく、そのように考えると面白いといった感じの軽い扱いです。
光(電磁波)が光子の連なりであるという説は、私が勝手に想像したものです。ちなみに、"光子の長さだけでなく幅も波長程度である"のではないかと、私は考えてます。少なくとも、教科書にある"電磁波が平面波である"とする説明は疑問です。平面波は横方向の変位が無限遠まで及びますが、そのような存在は現実に有り得ないと思うからです。

この回答へのお礼

ご回答有難うございます。
＞光子の形状は議論しないというのが常識。

C5）これはNo.5の方の個人的意見でしょうか？それとも引用文献がありますか？
これが多数意見という事ですね。多くの本では、｢光は粒子でもあり波動でもあり、両方の性質を持つという事で決着した｣といいますが、それでは光子の姿はさっぱり分らないままだと思います。現在でも光子の姿は不明のままで決着していないと見てよろしいですか？

C6）波であるというからには波長程度の長さがないと干渉できない。少なくとも波の谷と山を備えてないと、干渉現象は起きない。少しの光路差があっても干渉するから数λ程度の長さがあってもよさそうに思います。だから「光子はヒモ状の粒子である」といった方がよいと思いますが、如何でしょうか。

C7）電子や他の素粒子にも波動性があります。
また素粒子をヒモと見なすヒモ理論(超弦理論)があります。これはまだ定説に至っていないという。原子のModel図でも、多くの本では、原子核の周りを点状の電子が回っている図を掲げていますが、本当はひも状の粒子が回っているのじゃないかと思っています。又は電子雲を掲げているが、あくまで点状の電子の存在確率としての電子雲であり、ヒモ状粒子の電子雲ではない。これに対して何か批判はありますか？

お礼日時：2019/10/13 16:07

No.5 回答者： d9win 回答日時： 2019/10/12 07:46

別の光源から発せられた光の干渉例の観測例はないと思います。

音波や水の波のように特定の媒体が振動する波ならば、２つ以上の波が存在すれば必ず干渉します。
しかしながら、光は真空中を伝搬して、振動する媒体がありません。また、光は粒子としても振る舞います。同じ光源からの位相が連続している光に限って干渉が起こり得ると考えて間違いないと思います。

おっしゃるように、先の回答の計算は一桁間違ってました。何にしろ、"光子の長さが波長程度である"と言うのははごくごく少数意見ですので、定量的な議論はあまり意味がないと思います。

この回答へのお礼

ご回答有難うございます。
＞光子の長さが波長程度である"と言うのはごくごく少数意見です

そうするとそれの多数意見はどういう意見でしょうか？

お礼日時：2019/10/12 12:33

No.4 回答者： d9win 回答日時： 2019/10/07 05:11

議論になっているコーヒレンス長やコーヒレンス時間は、異なる波長毎に振動が無限に続く状況を想定しているようです。

しかしながら、実際の光は光子の集合体です。
粒子とも見なされる光子には当然進行方向の寸法が有って、それは精々波長λ程度であろうと考えるのが自然でしょう。そして、光子はhνの整数n倍のエネルギーを有し得ますが、nhνのエネルギーを有する光子は、波長c/νで位相の揃った光子がnヶ連続する状態であると、私は理解してます。さらに、光の干渉は、周波数だけでなく位相が揃わねばならないので、同一の光子についてのみ起こり得ると予想します。
すると、光源の振動数のバラツキを問題にする前に、同じ振動数の単一光の光子の連続数nが大きくなくては干渉性は生じないはずです。波長500nmの光なら、コヒーレント長10cmでn≈ 0.01/500^(-9)= 20,000、コヒーレント長が300mならば、その3,000倍のn≈60,000,000が期待できます。
レーザー光の干渉のし易さの一番の原因は、光子の継続数nが自然光よりも長大であることが原因であると考えます。

この回答へのお礼

ご回答有難うございます。
＞波長500nmの光なら、コヒーレント長10cmでn≈ 0.01/500^(-9)= 20,000、。
この計算は、10cm＝0.1mですから、n≒200,000、ではありませんか？

お礼日時：2019/10/07 12:38

No.3 回答者： tknakamuri 回答日時： 2019/10/06 17:24

>

https://optipedia.info/opt/optics/coherence-leng …　　によると、
>Cohe(Coherentの略)時間×光速c＝Cohe長 、の関係にある。
>だから、Cohe時間とCohe長は、全く別物ではないと思いますが？　

サイトで会員登録しないで読める範囲では
時間的コヒーレンスしかないですね。

空間コヒーレンスと時間コヒーレンスの違いは図を参照。
時間コヒーレンス長が0近くでも、空間的コヒーレンス
があれば、レーザーでなくても
干渉縞は観測可能です。

No.2 回答者： tknakamuri 回答日時： 2019/10/06 13:59

>A3）Michelsonの干渉実験では、光源と干渉する位置までの

>光路長はずいぶん離れています。数十m。
>レーザ光線のない時代にちゃんとした干渉実験を成功させています。

時間的コヒーレンス長というのは光路長ではなくて、光路長の「差」
に対する干渉性の悪化の度合を示します。

>λR/a＝Coherent長

縦コヒーレンス長(時間的コヒーレンス長)と
横コヒーレンス長(空間的コヒーレンス長)の話が
まぜこぜになってますね。
これらは全く別物です。

No.1 回答者： tknakamuri 回答日時： 2019/10/06 11:22

実際に観測される準単色光源の自然放出光は

個々の自然放出光が無数に合成されたもの。
個々の自然放出光は、位相も周波数もばらばら
なので可干渉長はせいぜい0. 1mm程度です。

この回答へのお礼

ご回答有難うございます。
＞可干渉長はせいぜい0. 1mm程度です。
この根拠となる文献を示して下さい。具体例を示して下さい。
これは空間的Cohe長ですか、時間的Cohe長ですか？

お礼日時：2019/10/06 22:21