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「光学」の講義ノートPDF。基礎から量子光学・光物性・レーザーの教科書

物理学 講義ノート リンク集


光の性質や応用を学ぶ「光学」(こうがく,ひかりがく)のテキスト。
(※変換ミスで「工学」としないように。光学である。)


光は電磁波の一種だから,光学は電磁気学の延長だと考えてもよい。

光を波として扱う「波動光学」では,マクスウェル方程式を駆使する。

レンズを使ったフーリエ変換(フーリエ光学)など,計測に使える話も出てくる。


さらに進んで,物質や結晶の中で電磁場を考えると「光物性」。レーザーが重要な役目を持つ。

また光と物質のミクロな相互作用を記述するには量子論が必要だから,

電磁場を量子化して「量子光学」(量子電磁気学)も使う。


ここでは下記の分類にしたがって入門用のノートを掲載する。

※波動光学の基礎である電磁気学の講義ノートはこちら

※量子光学の応用である量子通信・量子情報のノートはこちら

(1)幾何光学と波動光学から学ぶ,光学の基礎

光学の基礎は,幾何光学(まっすぐ進む性質)と波動光学(波としての性質)である。

この2つは一まとめに勉強することが多い。


しっかり学べるノート:

光学 講義ノート
http://qopt.iis.u-tokyo.ac.jp/optics/

  • 東大。おもに幾何光学。解説がすごく詳しい。

第1章 光の基本的な性質
第2章 光の伝播、反射屈折
第3章 幾何光学
第4章 光学機器
第5章 収差
第6章 回折と分解能
第7章 干渉
第9章 偏光と結晶光学
第10章 測光・測色
第8章 ホログラフィー


光学・レーザー物理
http://www.sp.u-tokai.ac.jp/~yagi/Opt...

  • 東海大。幾何光学・波動光学から,量子光学のさわりまで。

第1章 幾何光学
第2章 波動方程式と平面波解
第3章 誘電体および導体表面での反射、屈折、透過減衰の法則
第4章 フレネル・キルヒホッフの回折理論
第5章 屈折率の正体と複素屈折率
第6章 原子と光の相互作用、光の吸収と放出
第7章 負温度状態とレーザー発振の原理
第8章 非線形光学
第9章 光の量子化


Wave Optics
http://www.optik.uni-erlangen.de/odem...

  • 210ページ。ドイツのアーランゲン大。フーリエ光学を含む波動光学の全般。

1 Maxwell’s equations and the wave equation
2 Polarization
3 Interference
4 Diffraction
5 Fourier optics
6 Gaussian beams
7 Holography
8 Thin films and the Fresnel equations


ページ数の少ない資料:

反射・屈折・回折・散乱
http://www.asj.or.jp/geppou/archive_o...

  • 雑誌「天文月報」より。幾何光学を回折する5ページのコラム。


フレッシュマンのための現代光学・解析幾何光学入門
http://osj-jsap.jp/publication/public...

  • 9ページのコラム。幾何光学。


光学・レポート問題
http://image01w.seesaawiki.jp/a/8/ap2...

  • 4ページ。東大・古澤明教員の授業の課題。



Webページとして閲覧できる資料:

いまさらきけない光学計算:光学設計ソフトウェア CODE V:サイバネット
http://www.cybernet.co.jp/codev/lectu...

  • 紹介:光学ソフトウェアを、不安なく使うために必要な「光学」やその「計算過程」などを紹介します。

第1回:光線と波面
第2回:光線追跡
第3回:面形状と導関数
第4回:点像分布関数の計算
第5回:最適化の有効利用
第6回:偏光を計算するために


光の不思議と応用
http://homepage3.nifty.com/skomo/f17/...

  • 内容:光とは何か?,波動光学,光学系の設計。


動画で学ぶ:

物理学の「光学」のオンライン講義のYoutube動画
http://study-guide.hatenablog.jp/entry/20140601/p6


光学系を並列演算デバイスとして考える「光情報処理」という分野もある。
波動光学がわかれば原理はすぐつかめるだろう。

光コンピューティング・光情報処理について独学で学ぶためのPDFやWeb資料
http://study-guide.hatenablog.jp/entry/20150618/p1


(2)量子光学

光を量子化することは,電磁場を量子化することでもある。

なので,量子電磁気学の基礎を学ぶことになる。


量子光学:

量子光学 講義テキスト
http://www.bk.tsukuba.ac.jp/~hattori/...

  • 100ページ,筑波大。

第2章 レーザーの基礎
第3章 各種レーザー
第4章 光と物質との相互作用(古典論)
第5章 光と物質との相互作用(量子論)
第6章 非線形光学


量子情報物理のための量子光学入門
http://osj-jsap.jp/publication/public...

  • 6ページの解説記事。東大の古澤教授による。

光の量子状態
ビームスプリッター
EPR相関(量子エンタングルメント)
量子相関と古典相関の違い



英語で読める量子光学のノート:

Theoretical Quantum Optics
http://www.ph.tum.de/quantumdynamics/...

  • 55ページ,ミュンヘン工科大。

1 Quantised Electromagnetic Field 3
2 Coherence prop erties of the EM field 17
3 Representations of the EM field 22
4 Opeen Quantum Systems
5 Interactions Between Atoms and Radiation 38
6 Raman Transitions and Electromagnetically Induced Transparency (EIT) 52


Introduction to Quantum Optics
http://www.fulviofrisone.com/attachme...

  • 697ページもある・・・。

Part I Semi-classical description of matter–light interaction
1 The evolution of interacting quantum systems
2 The semi-classical approach: atoms interacting with a classical electromagnetic field
3 Principles of lasers
Part II Quantum description of light and its interaction with matter
4 Quantization of free radiation
5 Free quantum radiation
6 Interaction of an atom with the quantized electromagnetic field
Part III Applying both approaches
7 Nonlinear optics. From the semi-classical approach to quantum effects
8 Laser manipulation of atoms. From incoherent atom optics to atom lasers


QUANTUM OPTICS
http://iftia9.univ.gda.pl/~sjk/QO-SK.pdf

  • 237ページ,ポーランドのグダニスク大。

1 Classical harmonic oscillator in external field 1
2 Classical electrodynamics 13
3 Quantization of electromagnetic field 24
4 States of quantized electromagnetic fields 40
5 Atom field interaction. Dipole approach 77
6 Spontaneous emission. Simple treatment 94
7 Optical Bloch equations 105
8 Classical harmonic oscillator in external Øeld 123
9 Electrodynamics in Fourier space 130
10 Annihilation and creation operators 140
11 Density operator
12 Master Equation

(3)光物性

光物性(物質と光の相互作用)・光素子:

応用物理コース 応用光学 講義ノート - 古典電磁気学による、光の性質と物質の光学的性質
http://www.muroran-it.ac.jp/rikagaku/...

  • 室蘭工業大学,85ページ。

幾何光学
波の性質
マクスウェル方程式
波動方程式
物質中の電磁波の基本的性質
物質の光学的性質の概要
結晶中での電磁波の伝播 光学的異方性・複屈折


基礎から学ぶ光物性 e-ラーニング
http://home.sato-gallery.com/educatio...

  • 東京農工大。物質と光の相互作用がメイン。

第1回 イントロダクトリー
第2回 光が物質を透過するとき
第3回 光が物質で反射されるとき
第4回 集光したとき光スポットはどこまで小さくできるか
第5回 回折限界を超えて
第6回 物質と光の相互作用(1)イオン分極と赤外吸収
第7回 物質と光の相互作用(2)電子分極の古典電子論
第8回 物質と光の相互作用(3−1)第1部:光スペクトルを量子論で考える
第8回 物質と光の相互作用(3−2)第2部:バンド間遷移と半導体光物性
第9回 物質と光の相互作用(4−1)第1部:ルミネッセンスとは何か
第9回 物質と光の相互作用(4−2)第2部:半導体のルミネッセンス
第10回 磁気光学の基礎と応用


「物質の光学的性質」
http://www2.kobe-u.ac.jp/~okamura/ima...

  • 39ページ,神戸大

1.真空中の電磁波
2.物質中の電磁波:分極の発生(マクロなモデル)
3.電磁波と物質の相互作用:ミクロなモデル
4.光物性の実験技術
5.光物性の実験例


量子計測学 (光エレクトロニクス)
http://maildbs.c.u-tokyo.ac.jp/~torii...

  • 東大。

・ガイダンス、デモ実験、マックスウェル方程式の復習
・分極電流、分極電荷、誘電体中のマックスウェル方程式
・境界条件、スネルの法則、フレネルの式、エバネッセント波
・屈折率楕円体、フレネルの法線面、単軸結晶の複屈折性
・近軸ヘルムホルツ方程式、ガウシアンビームの諸特性
・薄膜導波路の固有モード、ファイバーの固有モード
・吸収と分散 その1(クラマース・クローニッヒの関係など)
・吸収と分散 その2(分極の古典的モデル、ガラスの屈折率)
・レポート問題の解、
・2準位原子とレーザー光との相互作用
・ブロッホ方程式、原子気体の複素電気感受率、吸収断面積
・均一幅と不均一幅、ファブリ・ペロー共振器
・光共振器の安定条件、レーザーの原理など


福井大の「光計測工学」:

光学基礎
http://fir.u-fukui.ac.jp/thzlab/basic...

  • 42ページ。マクスウェル方程式と波動光学。


非線形光学I
http://fir.u-fukui.ac.jp/thzlab/nonli...

  • 52ページ。物質・結晶の非線形な感受率や分極。


非線形光学II
http://fir.u-fukui.ac.jp/thzlab/nonli...

  • 67ページ。波動方程式による非線形相互作用の記述,ほか非線形光学効果。


光の散乱
http://fir.u-fukui.ac.jp/thzlab/optic...

  • 44ページ,散乱理論。


レポート課題および解答
http://fir.u-fukui.ac.jp/thzlab/H21ka...


動画で学ぶ:

光学・量子光学・光物性などの話題を学ぶ動画
http://study-guide.hatenablog.jp/entry/20140601/p5


(4)その他,光学の応用

光素子や磁気光学:

「光の取り扱い」
http://cis.k.hosei.ac.jp/~kano/opt_in...

  • 法政大。幾何・波動光学から光素子へ。

1. 光線の追跡
2. 波動光学
3. 屈折率
4. 光線路
5. ファブリ・ペローエタロン
6. 半導体レーザーの発振
7. レーザーのパルス動作
8. ノイズ
9. 光検出素子のS/N
10.光伝導素子,その他


磁気光学入門2006年度後期/2007年度後期/e-ラーニング
http://home.sato-gallery.com/educatio...

  • 東京農工大。

第1回 この講義で何を学ぶか
第2回 磁気光学とは何か
第3回 電磁気学に基づく磁気光学の理論(1)誘電率テンソル
第4回 電磁気学に基づく磁気光学の理論(2)マクスウェルの方程式
第5回 電磁気学に基づく磁気光学の理論(3)反射の磁気光学効果
第6回 磁気光学効果の電子論(1)古典電子論
第7回 磁気光学効果の電子論(2)量子論
第9回 磁気光学効果の測定法
第10回 磁気光学スペクトルと電子構造
第11回 磁気光学の応用
第12回 磁気光学の応用(3)その他の磁気光学応用
第13回 磁気光学研究の最近の進展


レーザー核融合:

2010年度 極限光物理学 講義ノート
http://www.ile.osaka-u.ac.jp/research...

  • 大阪大。

第一部 古典電磁気学
I-1 電磁輻射の古典論〜動く電荷が作る電場〜
I-2 輻射における相対論効果
I-3 電磁輻射の古典論〜LWポテンシャルを導く〜
I-4 電磁気学の相対論的記述
第二部 レーザー核融合の基礎
II-1 電磁波の伝播、カットオフの物理的意味
II-2 レーザーとプラズマの相互作用
II-3 流体力学の基礎
II-4 流体力学的不安定性
第三部 光子−光子衝突による電子陽電子対生成
III-1 量子力学のおさらい
III-2 量子電磁気学のさわりのさわり
III-3 光-光衝突実験



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