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光ファイバラマン増幅器の原理として誘導ラマン散乱が用いられますが、増幅される仕組みがよくわかりません。できるだけ詳しく教えて下さい。また、もし参考URLがあれば紹介して頂けるとすごく助かります。よろしくお願いします。

A 回答 (1件)

ご質問者がどの程度知識がおありなのかわかりませんが、まずは基本的な概念についてわかりやすく解説しましょうか。


まずはラマン散乱を考える前に、より基本的な散乱という現象を考えて見ましょうか。

物質に光が当たると光は散乱します。物が見えるのは太陽なり蛍光灯なりの光が物質に当たり、人間の目で観測できるのも散乱するからですね。
ではこの散乱という現象をミクロに見ると何がおきているのでしょう。

まず光というのは電磁波であり、電場が高速に振動しています。
これが原子に当たりますと原子はゆすぶられて振動します。このとき光のエネルギーは原子に移るわけです。
一方振動している原子(正確には電子が主役を担っています)は光を放出します。
このときに必ずしもやってきた光の進行方向に光を放出するのではなく、好きな方向に放出します。
これが散乱という現象の正体です。

次にラマン散乱(まだ「誘導」の文字がない)について考えましょう。
原子というのは光が当たっていなくても振動しています。この振動は熱振動といいます。
この原子に光が当たり更に光の周波数で振動すると、光は変調されます。
これは、ラジオである周波数の電波(搬送波といいます)を音声で変調してラジオの信号を作るのと同じです。波の合成ですね。
そうすると、そうやって散乱されて出てきた光の波長はもとの波長から少しずれます。
これがラマン散乱です。
ラマン散乱は何時でも発生するのではなく、色んな条件が必要なので、散乱した光のごく一部のみの波長がずれるという形になります。

さて、少し話を変えて誘導放出という現象について考えて見ましょう。
これは原子がエネルギーをもらい、光を放出するときに、他からの光が入ってくると、それに刺激されてその波長と方向に光を放出する現象です。これを利用してレーザーというものが考え出されました。

さて、次にいよいよ誘導ラマン散乱です。
これには、熱振動している原子に光が当たり、まだ光を放出していない状態の原子を考えますと、この原子は早く光を出してまたもとの状態に戻りたいところです。(水が高いところから低いところに流れるようにエネルギーの低い状態になろうとするのが自然の法則です)
ここに、ラマン散乱光と同一の光が入ってくると、原子はそれに刺激されて誘導放出が起こります。

これが誘導ラマン散乱です。

簡単にはこういう理屈です。
あとは専門書などを上記理屈を頭に入れながら読み進めてください。
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この回答へのお礼

お礼が遅れてしまい、本当にすみませんでした。
とても詳しい説明で、原子に光が照射されて散乱するまでの過程がイメージしやすくなりました。
本当にありがとうございました。

お礼日時:2004/07/16 11:11

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Q波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式は?

波長(nm)をエネルギー(ev)に変換する式を知っていたら是非とも教えて欲しいのですが。
どうぞよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

No1 の回答の式より
 E = hc/λ[J]
   = hc/eλ[eV]
となります。
波長が nm 単位なら E = hc×10^9/eλ です。
あとは、
 h = 6.626*10^-34[J・s]
 e = 1.602*10^-19[C]
 c = 2.998*10^8[m/s]
などの値より、
 E≒1240/λ[eV]
となります。

>例えば540nmでは2.33eVになると論文には書いてあるのですが
>合っているのでしょうか?
λに 540[nm] を代入すると
 E = 1240/540 = 2.30[eV]
でちょっとずれてます。
式はあっているはずです。

Q音響モード・光学モード

フォノンの光学モード、音響モードの図の見方がわかりません。わかりやすく説明できる方がいらっしゃったらお願いします。

ここ↓
http://cl.rikkyo.ne.jp/cl/2004/internet/kouki/rigaku/hirayama/041222/12_22.html
のページの下から1/4あたりにある図みたいなのです。

Aベストアンサー

わかりやすい説明かどうかわかりませんが、
おっしゃているのは、フォノンの振動数(またはエネルギー)を縦軸、波数を横軸にとった図のことでしょうか?
こういう図を(フォノンの)分散関係と呼びます。

たぶん高校で波(音波)において、
(波の振動数ν)=(波の速度c)/(波長λ)という関係(以下、式1と呼ぶ)を習ったと思いますが、それを拡張したものです。これを波数kを使って書くと
ω=2πν=ckです。これは分散関係の図で直線で与えられますが、フォノンの分散関係は直線にはなっていません。なぜでしょうか。
 固体の振動を例にとると、式1はλを小さくしていくと問題が発生します。つまり式1がどんなに小さな波長にでも成立するとすると問題が発生します。波長が0.01nmになったらどうなります。原子の間隔は0.1nmのオーダーなので、それよりも狭い領域に波の振動が含まれるとはどういうことでしょう。そういう波はありえないというか意味がないのです。
つまり式1は波長が極端に短いところでは変更を受けるわけです。

音響モードと光学モードとは、分散関係でkを小さくしていった場合、振動数がゼロになるのが音響モードで、有限の値をとるのが光学モードです。

結晶の単位胞に原子が1個しかない結晶では、音響モードしかありません。光学モードが現れるためには、単位胞に2個以上の原子が含まれる必要があります。

それではなぜ「音響」モードと呼ぶのでしょう。
音響モードは実は充分kが小さい領域ではω=ckという線形な関係に漸近します。つまり式1です。式1が表すのは音波だったため、「音響」モードと呼ばれます。

それではなぜ「光学」モードと呼ぶのでしょう。単位胞に原子が2つ含まれる場合はイオン結晶でよく起こり、片方が+、もう片方が-に帯電しています。
それが質問者の示したwebの図にもあるように互い違いに振動するモードが光学モードにあたり、+と-の電荷が互い違いに振動すると電気分極が振動し、光(格子振動の場合は赤外光)と相互作用します。

光学モードをもつ結晶に赤外光を当てると、光学モードの振動数に相当する赤外光が吸収されます。「光」で観測できるから「光学」モードです。

フォノンの光学モードと音響モードの話は、どんな固体物理の教科書にも載っていると思いますので、以上の説明の手がかりに一度じっくり読んでみられたらいかがでしょうか?

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おっしゃているのは、フォノンの振動数(またはエネルギー)を縦軸、波数を横軸にとった図のことでしょうか?
こういう図を(フォノンの)分散関係と呼びます。

たぶん高校で波(音波)において、
(波の振動数ν)=(波の速度c)/(波長λ)という関係(以下、式1と呼ぶ)を習ったと思いますが、それを拡張したものです。これを波数kを使って書くと
ω=2πν=ckです。これは分散関係の図で直線で与えられますが、フォノンの分散関係は直線にはなっていませ...続きを読む

Qラマン散乱:ストークス光、アンチストークス光の強度について

Wikipediaでラマン効果を調べると、
(1)ラマン散乱の原理は、熱的振動している分子に光が当たると、変調されて周波数が変わり、周波数が低くなる方がストークス、高くなる方がアンチストークス光となるそうですが、これだけだと、ストークス、アンチストークス光が同じ比率で出てくると思います。
 
(2)次に、同じWikipediaで、ストークス光は、分子を基底状態から振動励起状態に励起する場合の散乱(エネルギーを与えるので、周波数が低くなる。)、アンチストークスは、振動励起状態から、基底状態に戻す
(エネルギーを貰うので、周波数が高くなる。)散乱という説明があります。これは、ストークス光の説明については、(1)の説明と矛盾します。

それで、私なりの解釈なのですが、
・振動している分子に光が当たった場合: ストークス光、アンチストークス光が両方均等に現れる。

・振動していない分子に当たった場合:ストークス光だけが現れる。

と考えているのですが、これは正しいでしょうか?

Aベストアンサー

私の頭の中では、No.1では半導体結晶やファイバのような固体を想定し、No.2ではCO2のような気体分子を想定した説明をしたので、混乱させてしまったかもしれません。ごめんなさい。
私も固体物理を専門に勉強した訳ではないので、「フォノンとは何か」と改めて聞かれると説明に窮してしまいますが、No.2で引いたWikipediaにあるように、フォノンは主に結晶中での格子振動(つまり原子の振動)を表す概念です。
結晶中の原子同士の結びつきは、最外郭電子の関与の度合いによって共有結合からイオン性結合までいろいろありますが、要は電子と原子核との静電気力による結びつきなので、原子同士をバネで結びつけたように、原子間の距離はある程度伸び縮みできます。
つまり固体(結晶)中であっても、熱エネルギーにより原子は常に振動しています。
但しそれぞれの原子が自由勝手に振動できる訳ではなく、隣の原子や更にその隣の原子とも協調(相互作用)して、振動のピークは結晶全体を一つの波束のように動き回っています。
この波束を、エネルギーE=hνの光子と同様に粒子と見立てたものがフォノンと、私は理解しています。

No.2のお礼で参照された先のQ&Aでは随分難しい説明がされていますが、音響モードと光学モードとは次のように区別されます。
簡単のために一次元に並んだ結晶格子を考えた場合、隣同士の原子が同じ方向に動くのが音響モード、別の向きに動くのが光学モードです。

例えばこんな具合。(・は原子の元の位置を示す)
(音響モード)
・→  ・→→ ・→  ・  ←・ ←←・  ←・
(光学モード)
・→ ←・   ・→ ←・   ・→ ←・
# 上図はどちらも縦波を示しましたが、もちろん横波もあります。

結晶がイオン結合性が強いとすると、光学モードでは正負の電荷が逆の方向に動くので、光(電磁波)と強い相互作用をします。(だから「光学」モード)

私の頭の中では、No.1では半導体結晶やファイバのような固体を想定し、No.2ではCO2のような気体分子を想定した説明をしたので、混乱させてしまったかもしれません。ごめんなさい。
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結晶中の原子同士の結びつきは、最外郭電子の関与の度合いによって共有結合からイオン性結合までいろい...続きを読む

Q位相速度と群速度の違い

位相速度と群速度の違いがよくわかりません。
違いを教えてください。
よろしくお願いします。

Aベストアンサー

位相速度と群速度の定義は既に書かれている人がいるので割愛させていただきます。これがそれぞれ何を表しているか?ということですが、以下のようなものです。

○位相速度
平面はの山の間隔からもとまるものです。光速度を超える可能性があります。これは情報を伝達することが無いので相対論にも反しません。

○群速度
その名の通り群(波群)の速度です。周波数の似たような波を重ね合わせることで波束を作成し、その波束が移動する速度になります。波束は情報伝達をするので光速度を超えることが出来ません。
群速度はこのように複数の波を重ね合わせた時に始めて出てくる概念です。


具体的な式は下記のサイトを参考にして下さい。

http://letsphysics.blog17.fc2.com/blog-entry-138.html

参考URL:http://letsphysics.blog17.fc2.com/blog-entry-138.html

Q波数のイメージとその次元

題名の通り、波数のイメージとその次元がどうも食い違ってしまうと言いますか、ちょっと納得できないので質問します。
波数の定義は、k=2π/λ(または、本によってはk=1/λ)で与えられています。ここで、私は波数は2πという単位の長さを波長で割っているのであるから、これは単位長さ当たりの波の数だと考えました。大学の先生に聞いてもあやふやな答しか返ってきませんでした。(大学の先生はいろんなこと知っているけど、あまり考えていないの?(疑))
その後、いろいろ調べて「波数は空間周波数とも言える。」と書いてあるのを見つけました。普通、周波数と聞けば、単位時間当たりに何回振動するかだけど、これは時間ではなく空間で与えているだけかと思って納得してしまったのです。
でも、それでは波数の次元は無次元になってないとおかしいではありませんか。
しかし、本で調べたところ、波数の次元はm^-1ではありませんか。
波長の次元はmとして、2πの次元は無次元でないといけません。では、これは角度でradなのでしょうか?
そうすると、先ほど納得したイメージではつじつまが合いません。2πを長さと考えてイメージを作ったのですから。
「波数を定義すると便利だから。」というのを聞いたことがあるのですが、波数のイメージはもてないのでしょうか?(波数っていうぐらいだから、波の数じゃないの?)

題名の通り、波数のイメージとその次元がどうも食い違ってしまうと言いますか、ちょっと納得できないので質問します。
波数の定義は、k=2π/λ(または、本によってはk=1/λ)で与えられています。ここで、私は波数は2πという単位の長さを波長で割っているのであるから、これは単位長さ当たりの波の数だと考えました。大学の先生に聞いてもあやふやな答しか返ってきませんでした。(大学の先生はいろんなこと知っているけど、あまり考えていないの?(疑))
その後、いろいろ調べて「波数は空間周波数とも言える。...続きを読む

Aベストアンサー

おっしゃるとおり波数のイメージは>単位長さあたりの波の数
でまったくOKです。
ですから次のように考えてはいかかでしょう?
10m中に波が5回あるとき波数を求めるには、5(無次元)÷10(m)ですね。
ちゃんと次元もm^-1となるのはすぐに納得されると思います。
この時、先に波長2mが分かっていたらこういう求め方もできます。
波長は波1回あたりの長さだから10(m)÷5(無次元)として求めますが、
この式は波数とちょうど逆数の関係にあるので、波数=1/2mと求められます
ここで注意していただきたいのは1mを2mで割っているのではなく、2m(波長)の逆数をとっているという点です。
波数の定義の式も2πmや1mを波長で割ったのではなく、波長の逆数に2πをかけたもの、波長の逆数そのもの、と捉えるのが正しいのです。

もうひとつ波動関数の式 y=Asin(wt-kx)との関係から捉えるのも重要です。
(y:変位,A:振幅,t:時間,x:基準点からの距離)
sin()の中は位相で角度(無次元)なのでw,kの次元はそれぞれt,xの次元の逆数とするのです。ここでkを波長λを用いて求めると2π/λ(rad/s)となります
波動の式としてy=sin2π(wt-kx)の形をもちいた時には2πが消えたk=1/λとなるわけです。
長くなりましたが少しでも直感的理解の助けになれば幸いです。

おっしゃるとおり波数のイメージは>単位長さあたりの波の数
でまったくOKです。
ですから次のように考えてはいかかでしょう?
10m中に波が5回あるとき波数を求めるには、5(無次元)÷10(m)ですね。
ちゃんと次元もm^-1となるのはすぐに納得されると思います。
この時、先に波長2mが分かっていたらこういう求め方もできます。
波長は波1回あたりの長さだから10(m)÷5(無次元)として求めますが、
この式は波数とちょうど逆数の関係にあるので、波数=1/2mと求められます
ここで注意していただきたいのは1mを2...続きを読む

Qレーザのスポット径の計算式

自分が使用しているレーザの加工サイズ(スポット)径を計算式から算出したいと考えています.以前同様の質問に対し,mickjey2さんが丁寧に回答してくださったにも関わらず,自分の知識の無さから未だに解決していない次第です.式としては、
(1)スポット径w=4λd/πw0
         λ:波長
          d:対物レンズの焦点距離
         w0:レンズに入射するビーム径
(2)スポット径w=w0*{1+(λd/πw0^2)^2}^1/2
の2つがあることは分かったのですが,どちらを使用して良いのか分からないのです.実際に波長1064nm,焦点距離30.5mm,入射ビーム径1.5mmで計算したのですが,スポット径にかなりの違いが見られました.
それぞれの式はどのような条件の際に用いるものなのかどなたか教えてください.宜しくお願いします.
(どちらかがガウスビームの式なのでしょうか?)
最後にもう一つ,私の使用するレーザユニットはM^2~1.5と表記されています.ガウスビームとみなす事が出来るでしょうか?
         

自分が使用しているレーザの加工サイズ(スポット)径を計算式から算出したいと考えています.以前同様の質問に対し,mickjey2さんが丁寧に回答してくださったにも関わらず,自分の知識の無さから未だに解決していない次第です.式としては、
(1)スポット径w=4λd/πw0
         λ:波長
          d:対物レンズの焦点距離
         w0:レンズに入射するビーム径
(2)スポット径w=w0*{1+(λd/πw0^2)^2}^1/2
の2つがあることは分かったのですが,どちらを使用して良い...続きを読む

Aベストアンサー

ではすぐに計算できる形でご提供しましょう。
使用する式は加工用途のYAGレーザですからガウシャンビームの式の発展版を使います。(詳しくは大御所お二方の書かれた "Output Beam Propagation and Beam Quality from a Multimode Stable-Cavity Laser", Anthony E.Siegman, Fellow IEEE, and Steven W.Townsend, IEEE Jurnal of uantum Electronics, Vol.29, No.4, April 1993 でも参照下さい。)

平行な、半径r、BQFactorがM2、ビームを焦点距離fのレンズに入射したとき、ビームウエスト半径r0は、

r0 ^2 = { r^2 * f^2 / Zr^2 } / { 1 + (f/Zr)^2 }

ここで、 Zr = π * r^2 * n / {M2 * λ}

M2 : M^2 の値
λ : 波長
 n : 屈折率(空気中ならばほとんど1)

全部MKSA単位で計算すればOKです。
M2が1からはずれてくると段々と上式と実際のスポットには食い違いが生じてきますのでご注意下さい。(詳しくは論文を読んで下さい)

ではすぐに計算できる形でご提供しましょう。
使用する式は加工用途のYAGレーザですからガウシャンビームの式の発展版を使います。(詳しくは大御所お二方の書かれた "Output Beam Propagation and Beam Quality from a Multimode Stable-Cavity Laser", Anthony E.Siegman, Fellow IEEE, and Steven W.Townsend, IEEE Jurnal of uantum Electronics, Vol.29, No.4, April 1993 でも参照下さい。)

平行な、半径r、BQFactorがM2、ビームを焦点距離fのレンズに入射したとき、ビームウエスト半径r0は、

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Q“ in situ ” とはどういう意味ですか

科学の雑誌等で、“ in situ ” という言葉を見ますが、これはどういう意味でしょうか。
辞書では、「本来の場所で」、「もとの位置に」などと意味が書いてありますが、その訳語を入れても意味が通りません。
分かりやすく意味を教えていただけないでしょうか。

Aベストアンサー

「その場所で」というラテン語です(斜体で書くのが一般的です)。

in vitroとかin vivoと同じように、日本語のなかでも訳さないでそのまま「イン シチュ」あるいは「イン サイチュ」というのが普通でそのほうがとおりがいいです。うまい訳語がないですし。

生物学では、in situ hybridizationでおなじみです。この意味は、染色体DNAやRNAを抽出、精製したものを試験管内、あるいはメンブレンにブロットしたものに対してプローブをhybridizationさせるのに対比して、組織切片や組織のwhole mount標本に対してプローブをhybridizationすることをさします。
これによって、染色体上で特定のDNA配列を検出したり、組織標本上で特定のRNAを発現する細胞を検出したりできます。生体内の局在を保った状態でターゲットを検出するということです。

化学反応、酵素反応などでは、溶液中の反応のように、すべての役者が自由に動き回れるような系ではなく、役者のうちどれかがマトリックスに固着していて、その表面だけで反応がおこるようなケースが思い浮かびます。

「その場所で」というラテン語です(斜体で書くのが一般的です)。

in vitroとかin vivoと同じように、日本語のなかでも訳さないでそのまま「イン シチュ」あるいは「イン サイチュ」というのが普通でそのほうがとおりがいいです。うまい訳語がないですし。

生物学では、in situ hybridizationでおなじみです。この意味は、染色体DNAやRNAを抽出、精製したものを試験管内、あるいはメンブレンにブロットしたものに対してプローブをhybridizationさせるのに対比して、組織切片や組織のwhole mount標本に対...続きを読む

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Aベストアンサー

その通りです 大分前に(20年位)f 特性グラフを見た事があります

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Qブリュースター角と臨界角の関係

すみません,ずぶの素人です.
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Aベストアンサー

>ブリュースター角は1つの角度であって、それ以上、またはそれ以下だと、p偏光に対する反射率が0になるということではないってことですか?
その通りです。横軸入射角、縦軸反射率のグラフを書くと、S偏光の光は垂直(角度0度)より単調に増加しますが、P偏光の場合は角度0より反射率は減少し、ブリュスター角で反射率0になり、再び増加するという曲線になります。

少し文を修正しますね。

金属表面での反射は金属の自由電子により、電磁波がはじき返される。臨界角は屈折角が90度以上、すなわち、屈折波が無くなる。
屈折角が90度以上になっても、界面での相互作用が無くなるわけではない(90度以下でも相互作用しています。だから屈折するのです)。相互作用があるから、もれたような電磁波が発生し、これをエバネッセント波と呼ぶ。当然、金属などもともと、透過成分がないものにはエバネッセント波が生じない。

多少正確性は欠きますが上記程度の理解でよろしいかと思います。

Q「該当」と「当該」の違い

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Aベストアンサー

よく似た意味の言葉(名詞)ですが、

○該当…「する」をつけて「当てはまる」という意味の動詞として用いることができる

○当該…主に他の名詞の前につけて「今議論の対象になっている、まさにそのもの」という意味で内容を限定する形容詞的な形で用いる

といった違いがあります。逆の用法はありません。

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・○○事件につき、該当被告人を有罪に処す。

いずれもおかしな使い方で、反対でないとアウトです。

ご参考になれば幸いです。


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