研究で、レーザーを用いて溶質をイオン化させ、その上下に電極を配することで電極間に流れる電流値を測定しています。このレーザーがくせものでして、レーザーのスイッチをオンにして、発振させるとすごいノイズが生じるんです。

測定電流のレベルはpAレベルで、例えばレーザーoff時には 1.00±0.05pAで、レーザーonにすると 1.00±3.00pAになってしまうんです。
(↑電極間に照射せずに、レーザーのスイッチを入れた状態の例です)

ちなみにレーザーはN2(窒素)パルスレーザーです。
このノイズをやっつける方法ってあるんでしょうか?

化学の分類に投稿していたのですが、「物理学に聞いた方が・・」という意見がありましたので物理の世界にチャレンジです。
わたしは、分析化学でレーザーを専攻していますので、「レーザー装置の中身を分解して・・・」とかいったものは、ちょっとついていけないかもしれないです。
(いえ、申し訳ありません。多分わかりません)
あつかましいとは存じますが、物理専門の方々よろしくお願いします。

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A 回答 (10件)

こんにちは。

まだ見てるかな?
私もここの所、自宅の引越などで忙しくあまり巡回できないでいました。m(__)m

さてノイズというので高周波ノイズばかり見ていたのですが、やり取りを見てると反対のようですね。
我々の用語でいうところの基線変動というやつに近いようです。

これだと、今まで述べた対策ではちょっと無理でしょう。
いらない低周波成分をフィルタでカットするよりないと思います。

あと測定点・測定器への供給電源の安定化、電池化(フローティングといって他の電源の影響を受けなくする方法)などは考えられます。
さもなくば、測定点への電源供給を断続してそれに同期したチョッパアンプというものを使って増幅する方法しかないように思われます。

チョッパアンプ:
信号源の電源をある周波数で連続的にオン・オフをし(これをチョッパといいます)、オン時のみ入力を受付けて交流信号のように増幅し、出てくる信号波形をチョッパ信号に同期して整流して直流出力を読み取る仕掛けの増幅器。
ちょっと電気の専門の人じゃないと難しいかも。
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この回答へのお礼

論文作成で、どうにも手がつけられない状態なので、このへんでおひらきにすることにします。本当に色々ありがとうございました。
(また、お会いすることがあればよろしくお願いします。)

お礼日時:2002/02/15 09:36

> BNCコレクタっていうんですか!



 いえ,BNCコネクタ(connector)といいます。一応訂正しておきました。。。

> ノイズフィルタートランス、みせてもらいましたが、たいそうな代物ですね。

 最大電流さえしっかり計算できれば,巻数の同じトランスを秋葉原などで買って,自作できそうな気もしますが…。どうなんでしょう?>専門の方々

 私が扱っている Nd:YAG レーザの場合,フラッシュランプ点灯後から 1 μsec も立つと,電磁波のノイズは減衰してほとんどゼロになります。kumanokoboo さんの測定系について,私はあまり理解できておりませんが,もし測定装置にゲート信号を用いることができるなら,フラッシュランプのトリガと同時にゲートを閉じ,一定時間経ったらゲートを開く,というゲート信号をパルスジェネレータか何かで発生させる,という方法もあると思います。
 いや,そこまでしなくてもオシロスコープで電流値(正確には抵抗を直列に繋いで電圧値)を直接見れば良いのかもしれませんね。オシロをフラッシュランプのトリガで同期させておいて,トリガから遠いところを読めば良いだけの話かもしれません。

 ちなみに,電磁シールドというのは電波を吸収する物質(磁性体)のことです。最近の電磁波ブームで,電磁シールドの商品はかなりの種類があります。効果の程は知りませんが…。No.2 の回答に参考 URL に入れてありますのでご覧下さい。
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この回答へのお礼

BNCコネクタですね!覚えました!(・・もう間違えません)

電磁シールド、勉強させてもらいました。これは、メッシュ状の網シールドですよね。なんと驚き!これも、使ったことがありました。N2レーザーのシールドに使っています。でも、質問N0.1のお礼回答に書いたように全然中途半端なシールドに使われているんですけどね。
もうちょっとこのN2レーザーのシールドを考えないといけないのかもしれません。(今使っているのより、もっといい電磁シールドでも探します)
それでは。。。

お礼日時:2002/01/24 18:00

>周波数の上限とは、なんのことをいっているのでしょうか



わかりにくい文章ですみません。私の文章能力はゼロですね…。

要はどのくらいの速さの電流値の変化まで見たいのかという質問だったのですが、お礼の文章から、
・見たいのは直流成分だけ
・ちゃんと平均値をとっている
とのことなので、わけがわかりません。

これはノイズはほぼ直流ということですよね。ノイズというより測定値がゆっくり変化するというような感覚でしょうか。一応思いつく原因は

・ノイズが大きすぎて取りきれない(測定器の直線性が悪いとそうなりやすいかも)
・ノイズの周期と測定器のサンプリング間隔がほぼ同じで、それらの周波数の差の周波数のノイズになった

ぐらいです。

ところで、40点のデータはどれくらいの時間間隔でとっていますか?また、それらのデータを時間を横軸、測定値を縦軸にしてグラフを描くとどんな感じでしょうか?一定の周期で波打っていたら上の2番目が怪しくなりますが…。あと、生データの範囲は1.00pAプラスマイナスどの程度に入っていますか?

すみません、質問者の方のためというより、自分自身の興味での質問になってます。(質問に触発されてnA~pAオーダの電流計を試作中…多分完成しない)
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この回答へのお礼

こんにちは。
うまく説明できないかもしれませんが、答えさせていただきます。

>これはノイズはほぼ直流ということですよね。ノイズというより測定値がゆっくり変化するというような感覚でしょうか。

その通りです。わたしは、直流成分だけをみています。でも、測定値はそんなにゆっくり変化してはいません。後に述べてある質問の回答にもなりますが、40点の間隔は2秒に1点とるペースでデータをとっても、だいたい交流成分的な変化を示しています。つまり40点の電流値は一定の幅で、交互に、上がって下がって上がって・・・・という感じです。プロットすると、ノイズ型のグラフになります。
(言い忘れましたが、この40点の一点一点もパソコンのプログラムによりさらに平均した値となります。つまり、電流計は単位時間の平均値を表示→パソコン上でその平均値を単位時間とったさらなる平均値を表示→その値を40点とる・・・というながれになってます。)

質問に対する返答としては少しズレてしまっているかもしれませんが、ご了承ください。

お礼日時:2002/01/24 17:44

ちょっと気になっているのですが、測定に必要な周波数の上限はどのくらいですか。

直流成分だけ見たいときに、必要以上にピコアンメータの表示レートを上げていませんか?その場合、ノイズは交流成分だけと考えられるので、測定値を平均化するか、表示レートを下げることによってレーザーonの時の電流も1.00pAに近づくかも知れません。
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この回答へのお礼

御回答誠にありがとうございます。

>測定に必要な周波数の上限はどのくらいですか。直流成分だけ見たいときに、必要以上にピコアンメータの表示レートを上げていませんか?

んん・・・申しわけないんですが、ちょっと、意味が理解できません。周波数の上限とは、なんのことをいっているのでしょうか。

この文の理解ができていないものですから、話が食い違っているかもしれませんが
測定値の平均化については、電流計はデジタル表示のものを使っておりまして、連続した単位時間の平均値を常に表示しています。そして、データを取る時には、この平均値を40点ほどとって、さらに平均したものを、そのときの電流値とし、その40点から計算した標準偏差を±としております。これで、あのようなノイズの状態なんですよ。
お暇なときでいいですので、いい知恵がありましたらまたよろしくお願いします。

お礼日時:2002/01/23 13:13

こんにちは。

またやってきました。
38endoh さんのような類似経験の方のアドバイスが頂けてよかったですね。
YAG レーザーではキセノン放電管(ストロボの発光管のでかいやつ)を高電圧で放電させて発光し、その強力な光を YAG 結晶に当ててレーザー光に変換するわけで、気体放電を使う点でほぼ同一事例と考えることが可能だと思います。
また、ノイズレストランスなど本格的機材をご紹介ですが、私の紹介している物はアマチュア向け?ではないけど、比較的安価で簡単に手に入るようなシロモノです。
例えばハイインピーダンス増幅器(その道ではバッファアンプなどともいいます)は、半田ごての腕さえあれば、IC や部品、箱、秋葉原までの電車賃を含めても千円~2千円程度で作ることができます。
それ以外私が紹介したノイズ対策の機材は、パソコン店、オーディオ店などで簡単に手に入るものです。

38endoh さんも仰るように電源回りの対策では、ノイズレストランスやタップ、ノイズキラーなどで対策を講じた電源は測定器、測定点の給電以外には使わないでください。
レーザーなど他の機材の電源は元から取ります。でないとクリーン電源にした意味がなくなりますから。

それからグランドプレーンがすでに設置してあったとなると、結構きびしいですね。基本的には一緒にレーザー装置は本当は板上にない方がいいですが、測定点のすぐ裏(下?)側と測定器のすぐ下にだけ、もう一枚小さなグランドプレーンをつけてみてはどうでしょう。
このミニグランドプレーンは大きい板につなげばいいですけど大きい板の上にじかに置いてはいけません。意味がなくなります。

ただし先にも述べたようにこの方法は電源ノイズにはあまり強くないですから、電源は別に対策を取りましょう。
測定器、測定点の電源を電池駆動にするなんてのも可能なら有効な方法です。
もしもこれでノイズが軽減できないなら相当強い輻射電波によるノイズが考えられるので、電磁シールドが有効になると思います。
レーザー装置から測定器・測定点までを金属板(出来れば鉄がいい)で隔ててノイズが低減できれば、レーザー装置が輻射源と思われます。
またどこかにいらない鉄の箱、ブリキ缶(磁石がくっつく空き缶ならなんでも可)などがあったらその中に、測定器の入力端子の両端を少々長めの電線で結んでスイッチを入れた状態で入れてみてノイズレベルを見るといいでしょう。
(38endoh さんのオシロスコープと同じような話です)
もしブリキ箱に入れるとノイズレベルが下がるなら原因はこれで、マグネチックシールドが解決の糸口になるでしょう。

#ちなみに私は研究室ではなく、病院で心電図や脳波を取る人なので、シールドルームは病院には不可欠なのです。
#しかし、シールドルームでなくても蛍光灯のついてる一般病室でも患者さんのベッドをグランドプレーンに使うことで大抵心電図(1ミリボルト,1メガオーム位)位は取れるものです。
#脳波レベル(数マイクロボルト、数百メガオーム位)になるとそうはいきませんけど。

毎度長文の回答失礼しました。m(__)m
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この回答へのお礼

風邪をひいておりました、申し訳ありません。せっかくお返事くれたのに、返さなくて・・・。
ネットは家に繋いでないものですから、ネットができるのは学校だけなんです。
病み上がりの返事なので、誤字・脱字があっても許してください。

>レーザー装置から測定器・測定点までを金属板(出来れば鉄がいい)で隔ててノイズが低減できれば、レーザー装置が輻射源と思われます。

これなんですが、大きなアルミ板で実験してみましたところ、ノイズの低減はみられませんでした。でもですね、レーザーのスイッチをいれてレーザー光が照射しだすと明らかにノイズが増加するものですから、やっぱりレーザー装置が輻射源だとおもいます。

>またどこかにいらない鉄の箱、ブリキ缶(磁石がくっつく空き缶ならなんでも可)などがあったらその中に、測定器の入力端子の両端を少々長めの電線で結んでスイッチを入れた状態で入れてみてノイズレベルを見るといいでしょう。

確かに、ケーブルからノイズが入っているのかもしれませんね。
ところで、電磁シールドについて少々お教え願えませんでしょうか?

>#ちなみに私は研究室ではなく、病院で心電図や脳波を取る人
なんと!ビックリです。病院の先生だったんですか。
おそれおおい気がしますが、がんばってくださいね。

お礼日時:2002/01/23 12:14

> この文章の「同軸ケーブル」と「フラッシュランプ」ってなんでしょうか?



 同軸ケーブルの説明は http://yougo.ascii24.com/gh/06/000659.html を参考にしてください。私が使用している同軸ケーブルは,オシロスコープなどと接続するために,両端に BNC コネクタ( http://www.ampnetconnect.com/japan/metal/m_14.html )がついています。

 フラッシュランプとは,YAGレーザなどでレーザ媒質を励起するポンプ光のことです。

> 「電源フィルター」っていったいどうゆうものなんでしょうか・・・???

 ブレーカーとコンセントの間に挿入するトランスで,キレイな正弦波を得るためのものかと思います。バリスタのようなサージノイズフィルターではなく,波形自体がキレイになると思います( http://homepage2.nifty.com/takeland/Sub_9e.htm )。
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この回答へのお礼

返事が遅れまして、どうもすいません
(久しぶりに風邪をひいて、寝込んでましまいました。)

まずは、お返事ありがとうございます。
同軸ケーブルって、シールド線のことなんですね。それと、あれって、BNCコレクタっていうんですか!知りませんでした。なんと・・BNCコレクタはわたしも使用しているんですよ。使っているのに、名前を知らないとは・・・こんなところで無知さをさらけだしてしまいました。(おはずかしい・・・)

ノイズフィルタートランス、みせてもらいましたが、たいそうな代物ですね。もっと単純なものかと思ってましたよ。

今日、オシロスコープでの測定を行いました。でも、装置のセッティングや測定の練習程度しか行いませんでした。
それで、38endohさんがおっしゃったように、電磁波ノイズの確認をしようと思ったのですが、先生に「壊すから、まだ、さわるな。」って言われて、何も触らせてもらえませんでした。そのうち、こっそり触ってやろうと思っています。
ありがとーございました。

お礼日時:2002/01/23 11:39

どうもたびたびすいません。

m(__)m。今思い出したことがあるのでまた来ました。
測定レベルが pA 級ということなので、グランドプレーンを使う方法が有効ではないかと思います。
これは、個々の機材をシールドしてアースを取るのではなく、一枚の金属板の上に測定点と測定器をおく方法です。

測定機材や測定点部分が巨大な物でなければ、一枚の金属板の上に両方とも置き、測定器のアースは金属板に接続します。その金属板からアースコンセントに接続します。測定点にアースがある、又は測定点のシールドのアースは金属板に接続します。測定点と測定器の間にシールド線を用いた場合はシースを測定器側だけ測定器のアース、若しくは金属板に接続します。

また、金属板と測定点の間は絶縁物を介してよく、プラスチックの下敷き、ガラス版など、あるいは測定点の端子以外が絶縁物であればそのまま置いて固定します。金属板と測定点の距離が近いほど効果が大きくなります。
金属板はアルミ箔などでも構いませんが、測定器や測定点を十分カバーできる広さが必要です。また測定点と測定器の下に別々に金属板を敷いて電線で結んだのではいけません。必ず一枚の板である必要があります。

またレーザー発振機は金属板に載せる必要はありません。普通のアースだけでいいです。(電気的には繋がらないので単なる輻射雑音源と考えられる)

なお、これは電源からくるノイズには対策になりませんからそちらは別途お願いします。
(他の部屋の機材がちゃんとアースしてあれば十分対策になるんですけど)

なお38endohさんのノイズレストランスを用いる方法は入手が可能であれば電源ラインのノイズを大幅に軽減できるはずです。

また電磁シールドは輻射電波を遮るには有効ですが丁度いい磁性体シートがあるかな?
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この回答へのお礼

いえいえ、度々のご回答に感謝しており、とても勉強になりますよ。
一枚の板を置く方法は、グランドプレーンっていうんですか。
実は、実験装置の台には一枚の大きな金属板がしかれているんですよ。(アースコンセントにも繋げていますよ)
しかし、そんなたいそうな名前があるとは知りませんでした。
でも、レーザー装置もこの台にのせてあるんですが、のせてあっても問題はないですよね?

>38endohさんのノイズレストランスを用いる方法は入手が可能であれば電源ラインのノイズを大幅に軽減できるはずです。

これは試してみる価値がありそうですね。でもまず、ノイズレストランスがどういうものか解らないんで、調べてからうちの技官さんに相談したいと思います。
(ちなみに、うちの技官は、学生をパシリに使うふとどきものです・・・)

お礼日時:2002/01/19 12:46

こんにちは。

また来ました。m(__)m
レーザー装置を網でってのは、全くないよりマシ程度でしょうね。(^^ゞ
網だと長波長成分しかシールドできませんが、雑音出力を多少なりとも弱める働き位はしてるでしょう。

そういう時には、測定部分と測定器のシールドを厳重にします。
例えば私のやる分野で言うと、脳波や心電図をとる時は、部屋ごとシールドされた中でとります。
そういう感じでシールド箱を用意して測定部分をその中に置きます。
問題はシールド内へのレーザーの導光でしょうか。

あと、電流計の放熱ファンはいけませんね。モーターのブラシノイズが発生してる可能性が高いです。
一度測定端子を短絡して電流計のスイッチを入れ、ファンを止めた状態と動かした状態でバックグランドの測定をした方がいいかも。
それが大きいようなら電流計には箱を付けない方がいい場合もあります。

それと測定端子から電流計まではいかがでしょうか?
普通のリード線なんかで結んでませんよね?
シールド線を使い、シールド線の外側(シース)を測定器のアースにつなぎます。
また、このシースを接続するのは、測定器側だけにしてください。
もし測定端子側もアースするとグランドループという現象が発生してかえってノイズを拾ってしまいます。
もし万が一、シールド線を使ってなかったらこれだけで相当な効果が期待できると思います。

あと同じ化学やさん(主に生化学)として、化学やさんにこれを求めるのは大変辛いのですが、測定部分の信号出力点のすぐそばにハイインピーダンスの増幅器を置くと、その後ろの配線は非常にノイズに強くなります。
この方法だとノイズ対策を厳重にやるのは測定場所だけで済み、増幅器を電池で動かせば電源ノイズにも強くなります。
インピーダンス変換という測定分野ではよく使われる手法です。

もう一つ>夜間~ですが、外来ノイズの影響だと思われます。
直射ノイズはシールドが効きますけど、電源ノイズは電源にフィルタを入れるよりありません。

ノイズ対策のされたOAタップなどや先にもあげたノイズキラー(フェライト、トロイダル等ともいう)は有効と思われます。
どちらもそれ程高いシロモノではないので試されるといいかも知れません。
確かノイズレスタップが2千円位、ノイズキラーは1個3~500円位だと思います。
この場合は、コンセントからノイズレスタップやノイズキラーを入れたタップを出してそこに測定器回りだけをつなぎます。
測定点で電源が必要ならそれもここから取ります。

あと考えられるのは必要とされる周波数帯が判っている場合は信号回路にフィルターを入れる事ですが、これもちょっと辛いかな?

以上、お返事の情報から見て考えられる対策を述べてみました。まだ何かありましたらどうぞ。m(__)m
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この回答へのお礼

こんにちは!myeyesonlyさんのところはすごいですね。
シールド部屋があるんですか?羨ましいものです。
1年程前に、先生にシールド部屋をつくってくれません?って言ったら、「ダメ、お金かかるじゃん。」ってあっさり言われました。(・・余談です)
では本題に入ります。

まず、放熱ファンなんですが、アルミケース設計時にバックグラウンドの測定を行いました。何度がテストしたんですが、ノイズ増加の傾向はみられませんでしたので、使用している次第です。

次にシールド線、これも大丈夫です。
あと、ハイインピーダンス増幅器ってものは、なんか試しがいがありそうですね。うちの技官さんに相談してみます。(でも高価なものだったら、確実に却下されますけどね・・)

しかし、ノイズ対策の道具はいろんなものがあるんですね。初めて聞くようなものばかりなので、ちょっと勉強します。(・・・勉強不足でおはずかしいです。・・電源フィルター・ノイズレスタップ・ノイズキラーなどなど・・)

お礼日時:2002/01/19 12:20

 私は実験で YAG レーザ,Ti:Sapphire レーザを使用しております。

そのときの経験なのですが,レーザ制御装置の近くでオシロスコープに同軸ケーブルを差し込むと,その同軸ケーブルの逆の端が未接続のままでも,フラッシュランプに同期したノイズが確認できます。同軸ケーブルを抜くとそのノイズはほとんどなくなるため,同軸ケーブルがアンテナ代わりになって,レーザ制御装置から発生した電磁波をノイズとして拾っているのだと思いました。

 kumanokoboo さんのケースも電磁波かどうかはわかりませんが,もしお手元にオシロスコープがあるなら,同様の方法でノイズ源が電磁波かどうかを調べられると思います。もし電磁波ならその周波数を調べ,周波数帯域にあった電磁波吸収材料で測定系を覆えば,特にアースを気にしなくてもノイズをカットできるかもしれません。

 あと私の場合は,測定装置系の電源フィルターに,トランスを利用した電源ノイズフィルタを利用しております。参考になるかどうかわかりませんが…。

 私は専門が化学ですので,内容にはあまり自信がありません。変な箇所があれば,ご指摘ください。>専門の方々

参考URL:http://www.otona.ne.jp/denjiha.htm
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この回答へのお礼

ご回答誠にありがとうございます。
38endohさん!すごい良いタイミングで回答くれましたね。
なぜなら、来週の月曜日からオシロスコープを使ってみるんですよ。
しかしですね、今まで使ったことなかったんでちょっと意味がわからないんですよ(申し訳ありません・・頭がよろしくないものですから・・・)。
お手数でなければ、教えてくれませんでしょうか?

>レーザ制御装置の近くでオシロスコープに同軸ケーブルを差し込むと,その同軸>ケーブルの逆の端が未接続のままでも,フラッシュランプに同期したノイズが確>認できます。

この文章の「同軸ケーブル」と「フラッシュランプ」ってなんでしょうか?
それと
「電源フィルター」っていったいどうゆうものなんでしょうか・・・???
お暇なときでいいです。教えてください。

お礼日時:2002/01/19 11:13

こんにちは。


窒素レーザーだとガス中の放電現象を利用したものですから、放電ノイズの発生は不可避だと思われます。
蛍光灯と同じようなものですね。

1.ノイズ源を取り去る。
 具体的には半導体レーザーなどは使えないでしょうか?
 半導体レーザーも発振ノイズが出ますが、放電ノイズよりも対策が取りやすいかもしれません。

2.発生するノイズを遮断する。
 レーザー装置、測定部分を金属板などで覆い(シールドする)アースコンセント等につなぎ電源ラインにノイズ防止付きのコンセント(テーブルタップ)等を用いるか、ノイズキラーなどをはめ込む。
 ノイズキラー:パソコン等の機材の電源コードの付け根に付いている丸い円筒形のもの。オーディオショップや東急ハンズ、電子部品店などで入手可能。

3.アースをとる
 測定器のアース、レーザーのアース、測定部分のシールドのアースをつなぐ必要があります。

この位がノイズ対策の基本かと思いますが、ノイズ除去というのは専門家でも結構難しいものです。

私もミリボルト~マイクロボルト単位の生体電位の計測をやる人なので、補足を頂けば少しは答えられるかもしれません。
 
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この回答へのお礼

こんにちは!!お返事ありがとうございます。やはりノイズ除去は難しいようですね。
myeyesonlyさんのおっしゃるノイズ対策について

(1).そうなんですか。耳寄りな情報ですね。うちの研究室に半導体レーザーはあるにはあるのですが、すでに使用者がいまして、セッテングの問題もあって断念せざるをえません。(一応、お願いしてみょっかなぁ・・・)

(2).これはすでに対応済みなんですが、おそらく完璧ではないです。

まず、電流計をアルミケース(自作のアルミ板で作った箱です)にいれているんですが、完全に密閉すると熱がこもりますので、アルミケースのサイドに穴を確保し、ファンを取り付けています。それとケーブルを通す穴も設けてありますので完全密閉ではないのです。でもこれらの穴は、最低限のサイズにしています。やはり完全密閉でないと意味がないのでしょうか??
 次に、レーザー装置は熱がこもると故障しかねないので、ステンレス網のケースで囲んでいます。ただし、これは、フロントだけシールドされていません。なぜかと言いますと、前も囲むとレーザー光を遮断しかねないのとレーザー開閉のスイッチがフロントにあるためです。このシールド方法ってちょっと中途半端過ぎますかね?

(3).これもすでに対策済みです。

んーーー。頭がいたいものです・・・
それと、レーザー以外でもノイズが生じるんです。
昼実験するのと深夜実験するのでは、深夜の方が電流値がえらく安定します。もちろんそうでない場合もあるんですけど、昼より安定していることの方が多いです。
これって、他の研究室(上の階や下の階、隣の部屋など)の機器から生じているって考えられないでしょうか?(夜はヒトが少ないから・・・)

お礼日時:2002/01/18 14:14

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Q光エネルギーについて

光エネルギーについて教えてください。

光エネルギーとは?
 (熱エネルギー=分子の運動による摩擦エネルギー)    (分子の持つ運動エネルギー)
 (位置エネルギー=位置の持つ落下のエネルギー)
   (引力)
 (電気エネルギー=電子の移動によるエネルギー)
 ※間違っているかもしれません。

又、光エネルギーには、エネルギー保存の法則(詳しくは、知りません)は、当てはまるのでしょうか?

又、当てはまるのであれば、どのようなエネルギーに変化するのでしょうか。

基礎知識がない為、わかりやすく説明していただけたら、幸いです。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

電磁気的なエネルギーです。
光と一言に言っても要するに電磁波に関してですよね?
光子(フォトン)の集まりと考えるならフォトンの持つエネルギーが光のエネルギーです。
電磁波を波としてとらえるなら波のエネルギーです。電場磁場の形でエネルギーが存在しています。

光に対してもエネルギー保存則は成り立ちます。
光はガラスを通るときにガラスを加熱し光としてのエネルギーを失います。

エネルギー変換ですが
レンジでチンしたらマイクロ波のエネルギーが熱エネルギーになります。
太陽電池に光を当てたら電気的なエネルギーになります
光合成では化学的なエネルギーに変換しています(光は電子を励起するだけなので、直接の変換とは言えないかもしれませんが)

やろうと思えばどんなエネルギーにもなるかな。
光から光への変換もできます。非線形結晶というものを使うと高調波、つまり短い波長の光を得られます。


補足:小学生に分かるようにと言う注文には応じられないかもしれません。

光子とは、素粒子の一つで光の粒と考えてください。一般的に想像しうる物質とはかけ離れているとおもいますので、こんなもの!といったとらえ方が難しいです。

金属表面では光電効果といった効果もおきます、これは光の粒子性を示す効果として有名です(アインシュタインはこれでノーベル賞をもらっています)
金属表面に限らず光がモノに当たれば何らかの相互作用をします。壁などのように電気を通さない物質でも表面に光が当たれば壁に含まれる電子と相互作用をします。
たとえば壁に光が当たって反射してくる場合は

壁面に当たったときに光のエネルギーが壁の電子のエネルギーに変換されます。続いて電子のエネルギーが再び元の状態に落ち込もうとして光を出します。このときにのエネルギーが光となって再び壁から放たれます。

電極が無くても物質が存在すれば何らかの相互作用をします。
レーザーなどのようにエネルギー密度をとても大きく出来るような光はモノを切断したりすることも出来ます。モノが切れる原理はエネルギー変換による加熱です。

参考URL:http://www.dango.ne.jp/anfowld/Lights.html

電磁気的なエネルギーです。
光と一言に言っても要するに電磁波に関してですよね?
光子(フォトン)の集まりと考えるならフォトンの持つエネルギーが光のエネルギーです。
電磁波を波としてとらえるなら波のエネルギーです。電場磁場の形でエネルギーが存在しています。

光に対してもエネルギー保存則は成り立ちます。
光はガラスを通るときにガラスを加熱し光としてのエネルギーを失います。

エネルギー変換ですが
レンジでチンしたらマイクロ波のエネルギーが熱エネルギーになります。
太陽電池に...続きを読む

Q絶縁体を並行な電極で挟んで 電圧Voを印加する。 片側の電極は透明材料で形成。 非常に短いパルス状の

絶縁体を並行な電極で挟んで
電圧Voを印加する。

片側の電極は透明材料で形成。
非常に短いパルス状の光が透明電極側から絶縁体に入射する。
光は絶縁体の表面で吸収される。
(キャリアの熱励起と電極からの注入はないとする。)

1)この材料のバンドギャップは4.00eVである。光電効果が起こるために必要な光の波長の上限を求めよ。単位はnmとする。

2)電圧を印加してから十分な時間が経過して、絶縁体中に一様に固定電荷密度ρが形成されたとする。この時絶縁体の厚さ方向の位置xにおける電位V(x)について次の2階の微分方程式が成り立つ。空欄をうめよ。

d^2V/dx^2=[ ]

3)境界条件をV(0)=Vo, V(d)=0として上の微分方程式を解くと、絶縁体中の電解分布E(x)が次式の通り求められる。空欄をうめよ。
E(x)=ρ/2εrεo(2x-d)+[ ]

d:絶縁体の厚さ εr:非誘電率 εo:真空での誘電率


この問題解けるかたいますか?

Aベストアンサー

なんか変な問題ですね。
1)は「光電効果」ですが、2)3) とは何の関係もないと思います。電子が飛び出した後の「正電荷」が蓄積するというのでしょうか。
2)は空間に分布する電荷の作る電場もしくは静電ポテンシャル、3)はそのある境界条件での解です。

1) 光の振動数を ν とすると、光電効果が起こるためには、プランク定数を h として
  hν ≧ 4 (eV) ≒ 4 * 0.1602 * 10^(-18) (J) = 6.408*10^(-19) (J)
よって
  ν ≧ 6.408*10^(-19) (J) / h = 6.408*10^(-19) (J) / (6.626 * 10^(-34) (Js))
   ≒ 9.67*10^14 (1/s)
光の速度を c=2.998*10^8 (m/s) として、この ν に相当する波長 λ は
  λ ≦ c/ν = 2.998*10^8 / 9.67*10^14 ≒ 0.310*10^(-6) (m)
つまり波長の上限は約 0.31 μm = 310 nm。

以下の問題は、光電効果とは関係なく、一様な電荷密度ρが作る電場として考えます。

2) ガウスの法則より、誘電率を ε = εr*ε0 と書いて(εr:比誘電率、ε0:真空での誘電率)
  div(E(x)) = ρ/ε
この場合には、電場 E(x) は x のみの関数なので
  dE(x)/dx = ρ/ε
ということになります。

 また、-grad(V) = E(x) ですが、これも x のみの関数なので
  dV/dx = -E(x)

 以上から
  d^2V/dx^2 = -ρ/ε   (A)

3) 上記(A)を解いて、 V(x) を求めると

  E(x) = -(1/ε)∫ρdx = -ρx/ε + C1
  V(x) = ∫(-ρx/ε + C1)dx = -ρx^2/2ε + C1x + C2

初期条件より
  V(0) = C2 = V0
  V(d) = -ρd^2/2ε + C1d + V0 = 0
  → C1 = (ρd^2/2ε - V0)/d = ρd/2ε - V0/d

よって
  V(x) = -ρx^2/2ε + (ρd/2ε - V0/d)x + V0

これより
  E(x) = -dV/dx
     = ρx/ε - ρd/2ε + V0/d
     = (ρ/2ε)(2x - d) + V0/d

なんか変な問題ですね。
1)は「光電効果」ですが、2)3) とは何の関係もないと思います。電子が飛び出した後の「正電荷」が蓄積するというのでしょうか。
2)は空間に分布する電荷の作る電場もしくは静電ポテンシャル、3)はそのある境界条件での解です。

1) 光の振動数を ν とすると、光電効果が起こるためには、プランク定数を h として
  hν ≧ 4 (eV) ≒ 4 * 0.1602 * 10^(-18) (J) = 6.408*10^(-19) (J)
よって
  ν ≧ 6.408*10^(-19) (J) / h = 6.408*10^(-19) (J) / (6.626 * 10^(-34) (Js))
   ≒ 9.67*1...続きを読む

Q光ファイバーへの入光についての質問です。

実験で使用するため、光ファイバーにNd:YAGレーザー光を入れたいのですがどうしてもうまく出来ずに非常に困っています。

使用しているのはコア径3.5μmのシングルモードの光ファイバーです。
調整の方法は、
●今までは2枚のミラーで反射させてファイバーコリメータに入れる。ミラーを調整することで入射の位置、光軸角度を調整していました。
●現在はファイバーポートを使用しています。

以前それなりに入射が出来て、実験できていたのですが、あるときだんだんファイバーから出てくる光が弱くなっていき、結局ほとんど出力がなくなってしまいました。
それ以後どんなに調整しても以前の様な出力が得られません。

ちなみに今までも一旦レーザー光が通ったのに急に通らなくなってしまい、その後調整しても光が通らなかったことが2度あります。
その時は新しいファイバーを使用したらまた通るようになりましたが、今回で3回目なのでまた新しいファイバーを使っても通らなくなってしまうと困るので質問をさせていただきます。

何かこの様なことが起こる原因等ご存知の方、心当たりのある方。
もしくは光ファイバーへの入光のコツなどご存知の方がいらっしゃいましたらどうか教えてください。
どうぞよろしくお願い致します。

同文の質問を昨日間違えて特設アンケートのカテゴリーで質問投稿してしまいました。申し訳ありません。

実験で使用するため、光ファイバーにNd:YAGレーザー光を入れたいのですがどうしてもうまく出来ずに非常に困っています。

使用しているのはコア径3.5μmのシングルモードの光ファイバーです。
調整の方法は、
●今までは2枚のミラーで反射させてファイバーコリメータに入れる。ミラーを調整することで入射の位置、光軸角度を調整していました。
●現在はファイバーポートを使用しています。

以前それなりに入射が出来て、実験できていたのですが、あるときだんだんファイバーから出てくる光が弱くなっていき...続きを読む

Aベストアンサー

半導体レーザーしか扱った事がありませんので参考程度に

YAGレーザーですとパワー大きくはありませんか? 相手は3.5μmのシングルモードファイバーの極細

エネルギー密度が高い為にファイバーが溶けた なんて事ないでしょうか?顕微鏡で覗けば見えるかも知れませんね?
若しそうであればパワーを落として調整すれば済みそうですが
パワーを変えると広がりや光軸が変わるとかあるのでしょうか? あるかも知れませんね?
どんな実験されているのか知りたいです。

Q窒素レーザーの光のパルスを電気のパルスに変換することはできるのでしょう

窒素レーザーの光のパルスを電気のパルスに変換することはできるのでしょうか?
できるとしたら何のセンサを使うのでしょうか?そして その電気信号をパソコンに転送することはできますか?
教えてください お願いします

Aベストアンサー

レーザ光の波長(337nm)だけなら普通の Si フォトダイオードで検出可能です。337nm での感度は可視光より数分の1に落ちる程度なので問題ありません [1]。問題は応答速度です。窒素レーザのパルス幅は数百psから1ns程度ですが、普通のSiフォトダイオードでこのような狭い幅のパルス光を受けても、応答速度がそれより遅い [2] ので、出力される電気信号がなまってしまい、ピークパワーが測定できません。

測定するのがレーザ光のピークパワーでなく、平均パワー(デューティーサイクル×ピークパワー)でいいのであれば、フォトダイオードの出力信号を、ローパスフィルタなどで平均化して、DC電圧として測定する方法があります。フォトダイオードにレーザ光を直接入れると、光パワーが大きすぎてフォトダイオードが飽和してしまうので、ビームスプリッタやNDフィルタなどでフォトダイオードに入射する光量を減衰させるか、光学部品からの散乱光を受けるのがいいと思います。散乱光を使う方法では平均パワーの絶対値が分からなくなりますが、相対値でよければ(変動を見るだけであれば)散乱光を使う方法が簡単です。

[1] ここ(http://jp.hamamatsu.com/resources/products/ssd/pdf/tech/si_pd_technical_information.pdf)の4ページの図2-7に感度が出ています。受光感度というのは、フォトダイオードに 1W の光パワーが入ったときの出力電流(A)を表しています。パルスレーザのピークパワー(W) は、レーザ光の出力 (J)/パルス幅(s) になります。平均パワー(W)は、ピークパワー(W)×パルス幅(s)×繰り返し周波数 (Hz)です。
[2] [1] の5ページの図3-2が応答速度(遮断周波数)の例です。遮断周波数が 1GHz なら数ns程度の応答速度になります。

レーザ光の波長(337nm)だけなら普通の Si フォトダイオードで検出可能です。337nm での感度は可視光より数分の1に落ちる程度なので問題ありません [1]。問題は応答速度です。窒素レーザのパルス幅は数百psから1ns程度ですが、普通のSiフォトダイオードでこのような狭い幅のパルス光を受けても、応答速度がそれより遅い [2] ので、出力される電気信号がなまってしまい、ピークパワーが測定できません。

測定するのがレーザ光のピークパワーでなく、平均パワー(デューティーサイクル×ピークパワー)でいいの...続きを読む

Q光ファイバに可視光を流したら・・・

仕事で光ファイバを使っている者です。

今度、多量の光ファイバの中から、必要とする心線を用意に検出できるよう、可視光っを送出できる装置を購入しようと思っています。
しかしながら、「可視光を光ファイバに接続されている装置に送ると、装置の故障や通信に影響及ぼす」と言われました。
ほんとうに装置や通信に影響するのでしょうか?
可視光源の波長は0.65μmくらいなので、波長自体は通信とかには影響しないのではと思っています。

また、可視光が使えない場合、それに変わるものはあるのでしょうか? また、可視光は何m先まで届くものなのでしょうか?

ご教授方、宜しくお願いいたします。

Aベストアンサー

光ファイバ関係の仕事をしてるんですよね?

多量のファイバの中からアタリの線を見つけるのに可視光を使うのは非常に危険な作業だという事を理解していらっしゃいますか?
赤い光を見つけるのには、ファイバに強い曲げを加えたり、切断した端面を白い紙等にあてないと見る事は出来ないのをご存知ですよね?
ファイバ端面(コネクタも含む)を直接目視するのもご法度なのは常識ですよね!

そこにあるファイバが全て中身が空っぽ(未使用回線)ならば可視光源を使用して見分けるのも良いですが、既に利用中のファイバがある場合は、強い曲げを加えればその回線は死んでしまいます。

生きている回線に影響を与えないようにする為に、IDテスタ等のファイバ対照機器(対照光送信機と受信機のセット)を利用するのがプロの仕事ではないでしょうか?

接続されている通信機器に対する影響は#1の回答の通りです。壊れるかどうかは別として、影響は有ります。

ちなみに…
私の知人が持っている『ペン型可視光源』は4km用と6km用の2種類でしたが、実際には数百メートルの範囲でしか使用した事が無いそうです。

光ファイバ関係の仕事をしてるんですよね?

多量のファイバの中からアタリの線を見つけるのに可視光を使うのは非常に危険な作業だという事を理解していらっしゃいますか?
赤い光を見つけるのには、ファイバに強い曲げを加えたり、切断した端面を白い紙等にあてないと見る事は出来ないのをご存知ですよね?
ファイバ端面(コネクタも含む)を直接目視するのもご法度なのは常識ですよね!

そこにあるファイバが全て中身が空っぽ(未使用回線)ならば可視光源を使用して見分けるのも良いですが、既に利用中...続きを読む

Q連続レーザーとパルスレーザーの違い

連続レーザーとパルスレーザーの違いは言葉の通り、連続的なものと瞬間的なものの違いだけなのでしょうか?

Aベストアンサー

そうです。

どんな点にご注目しているのかわかりませんが、レーザーの出力が1Wの連続レーザーと1Wのパルスレーザーでは、出力も同一になります。

ただ、瞬間的な光強度は発光している時間の短いパルスレーザーの方が大きくなります。それ故、平均出力は低くてもよいから、瞬間的な出力が欲しい場合はパルスレーザーが使われます。

Qエネルギー準位の定義について

高校物理の質問です。
エネルギー準位は定常状態にある電子「1個」のエネルギーと考えていいでしょうか?それとも軌道半径が等しい電子のエネルギーの和ですか?(水素原子しか習っていませんので定義があいまいです)

それからいろいろ調べた結果、使い方がいろいろあるようです。
1.電子のエネルギー準位
2.原子のエネルギー準位 →教科書では水素原子のエネルギー準位、と表現しています。
3.原子核のエネルギー準位

なお、こちらのサイトで別の質問をしたところ、2は誤りで、3で表現するようにといわれました。しかし教科書では「水素原子のエネルギー準位」ときっちり書いてあります。1から3の使い方の正誤について教えていただければと思います。

Aベストアンサー

回答が後のものほど難しい説明をしましたが、高校生レベルに噛み砕いて説明してみます。

エネルギー準位というのは入れ物によって決まるもので、中に入れるもののエネルギーの居場所を指しています。
(原子核は核力によって陽子や中性子が閉じ込められていると考えてください。原子核崩壊は、水の蒸発と同じようなものだというイメージを持ってください。(蒸発は水内部の熱運動エネルギーが高い分子(統計的なもの)が液体の水の束縛(表面張力)を振り切って逃げて行くことを言う))

エネルギーは、電子や陽子のような「個」(粒子であったり剛体であったりしても良いが)の持つ物理量。

エネルギー準位は電子だけでは形成されず、原子核などによる「ポテンシャルの箱」が必要。
言い換えると、入れ物(箱)の特徴を表している。

根本的な話をしだすと、No.7みたいに数学的になる。(実は入れ物を決めているのはハミルトニアンで、中を埋めるものの波動関数とを数式で結びつけてエネルギー準位が固有値として出てくる。そもそもエネルギー自体は「力」を作るものと受ける側の2つがないとなし得ない概念だからね。W=-∫Fdxっていう仕事(エネルギー)の定義式に当てはめればわかる)

あと、よく考えたら電子のエネルギー準位ってのもおかしな言葉ですね。
「電子が取りうるエネルギー準位」ならわかりますが、「電子のエネルギー準位」と書いたら電子が何かに対してエネルギー準位を形成しているのか、はたまた電子自体が特定のエネルギー準位に収まっているのか不明ですね。

(補足:固体中の自由電子のエネルギー準位ってのも調べてみると理解が深まるかも)

エネルギー準位を与えるのは入れ物であり、エネルギー準位を埋めるのは入れ物に閉じ込められたものであるので、何を意味しているかは内容を読むしかしかないのかな?
(ネット上の情報は正確に表現されているかはわからないです。私は数式の解釈から説明しただけであって、慣例ということもある「かもしれない」。知らない表現はしない方が無難です。)

回答が後のものほど難しい説明をしましたが、高校生レベルに噛み砕いて説明してみます。

エネルギー準位というのは入れ物によって決まるもので、中に入れるもののエネルギーの居場所を指しています。
(原子核は核力によって陽子や中性子が閉じ込められていると考えてください。原子核崩壊は、水の蒸発と同じようなものだというイメージを持ってください。(蒸発は水内部の熱運動エネルギーが高い分子(統計的なもの)が液体の水の束縛(表面張力)を振り切って逃げて行くことを言う))

エネルギーは、電子や陽子のよう...続きを読む

Qレーザー光を用いた可視化

はじめまして。

今、流体の流れを可視化する実験をしています。
そこで、光源にレーザー光を用いたいと思っているのですが、
レーザー光をシート状の光にする方法がわかりません。
どのような装置を組めばいいのでしょうか?

流体には白煙を混ぜてその挙動を高速ビデオカメラで撮影します。
レーザー光の出力は1mWのものを使用したいと考えています。
可視領域は20×15mmです。

回答よろしくお願いします。

Aベストアンサー

私の知っている装置では、レーザー先端にシリンドリカルレンズ(円筒形レンズ)のアタッチメントをつけてレーザーシートを作っています。

下記サイトに詳しい説明がありました。ご参考までに。
安藤幸司氏の「Anfoworld」より「レーザライトシートの作り方」
http://www.anfoworld.com/LLS.html

参考URL:http://www.anfoworld.com/LLS.html

QパワーポイントにVRMLデータの貼り付け

プレゼン資料の作成で、3次元図をパワーポイント上に貼り付けようと試みています。
元データをVRMLには変換できたのですが、パワーポイントでは読み込みができません
でした。パワーポイントの読み込み設定が悪いのか、パワーポイントのバージョンが悪い
のか、パワーポイントではそもそもVRMLファイルは扱えないのか?
パワーポイントは2003です。

お詳しい方いましたら教えて下さい。

Aベストアンサー

パワーポイントのスライドショー上で 3次元図を操作して
動かそうとしてますか?
そうであれば おそらく、出来ないでしょう。
コントロールなどが全く違いますから。
別途 3次元ソフトで操作して表示された画像を事前に
動画・静止画としてキャプチャーしておき、 そのファイルを
パワーポイントに貼り込んで表示させるなら
出来ると思いますが。
具体的な 3次元ソフトが書かれていないので分かりませんが、
3次元ソフト自体の動画出力または画面キャプチャー機能か、
なければ動画キャプチャー可能なフリーウェア等でキャプチャーした
動画(WMVやMPEGなど)をパワーポイントに貼り込みます。
動画キャプチャーは 例えば
http://www.gigafree.net/media/recording/
画面表示モードの問題で、どれでもと言う訳にはいかないと思います。
色々試して、使えそうなものを捜すしかないと思います。
動画のパワーポイントへの貼り込み方法は

静止画なら キャプチャーも貼り込みも随分楽です。
「画面キャプチャー」「PPT 画像貼り込み」などのワードで
検索すればいくらでも情報があるでしょう。

パワーポイントのスライドショー上で 3次元図を操作して
動かそうとしてますか?
そうであれば おそらく、出来ないでしょう。
コントロールなどが全く違いますから。
別途 3次元ソフトで操作して表示された画像を事前に
動画・静止画としてキャプチャーしておき、 そのファイルを
パワーポイントに貼り込んで表示させるなら
出来ると思いますが。
具体的な 3次元ソフトが書かれていないので分かりませんが、
3次元ソフト自体の動画出力または画面キャプチャー機能か、
なければ動画キャプチャー可...続きを読む

QCO2レーザーとAr+イオンレーザー

CO2レーザー(炭酸ガスレーザー)の効率はAr+イオンレーザー(アルゴンイオンレーザー)の効率に比べて非常に高いのはなぜでしょうか?

Aベストアンサー

量子力学的見識で考えられるのは、効率の違いの主原因はレーザー波長の違いによる屈折の散乱です。

炭酸ガスレーザーの励起波長は約10μmでアルゴンイオンレーザーの励起波長は約500nmです。
レーザー光は励起状態の気体中を光を増幅しながら両端のミラーで反射を繰り返して定常波としてミラー間を何往復もしてコーヒレント光として外部に出力されます。

レーザー光は出力されるまで気体中を長い距離通りますが、このとき波長の長い光は屈折による散乱が少なく直進しますが、それに対して波長の短い屈折の散乱が大きく直進する光は少なくなっていると思います。

空が青いのは、太陽光の内、青色の光が空気の窒素、酸素分子で大きく屈折して散乱を繰り返して目に入るからです。
また朝焼けや夕焼けが赤いのは、太陽光は空気中を一番長く通過して私達の目に届きます。
このとき波長の短い青や緑の散乱して直進する光は少なく、波長の長い赤の光は散乱が少なく多く目に入り、太陽が赤く見えます。
青色は約480nm、赤色は約650nmでこの波長の違いで散乱が大きく違い空が青く見えたり、朝焼けや夕焼けが赤く見えたりします。

約10μmの光と約500nmの波長の違いは、この散乱現象が顕著に現れます。

これが効率に大きく影響していると思います。

量子力学的見識で考えられるのは、効率の違いの主原因はレーザー波長の違いによる屈折の散乱です。

炭酸ガスレーザーの励起波長は約10μmでアルゴンイオンレーザーの励起波長は約500nmです。
レーザー光は励起状態の気体中を光を増幅しながら両端のミラーで反射を繰り返して定常波としてミラー間を何往復もしてコーヒレント光として外部に出力されます。

レーザー光は出力されるまで気体中を長い距離通りますが、このとき波長の長い光は屈折による散乱が少なく直進しますが、それに対して波長の短い屈折...続きを読む


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