国立大学法人 東京工業大学

講義の概要とねらい

本講義では、光学現象が光の強度と比例しない非線形効果を扱い、光の非線形相互作用に関連する様々な現象や理論に焦点を当てる。
まず、非線形光学効果について述べる。光の強度が非線形光学材料と相互作用することで、第2高調波生成や和・差周波数生成といった現象が起こる。また、光パラメトリック発振や第3高調波生成など、非線形光学現象が光の増幅や新しい周波数成分の生成にどのように関与するかを検討する。これには古典的な非調和振動子モデルやMillerの法則、Kleinmanの対称性、Kramers–Kronig関係といった理論や原理が重要な役割を果たす。さらに、結合波方程式や位相整合、Manley–Rowe関係といった概念を通じて、非線形光学系における光の振る舞いやエネルギー保存則についても理解を深める。

到達目標

この講義の到達目標は、非線形光学に関する基本原理や現象を理解し、具体的な効果や関連する理論を習得することである。非線形光学効果の種類やその特性について理解し、例えば第2高調波生成や和・差周波数生成、光パラメトリック発振などの具体的な現象を説明できるようになる。また、Millerの法則やKleinmanの対称性といった理論的背景にも触れ、非線形光学の基礎的な知識を身につける。さらに、結合波方程式や位相整合といった概念を理解し、実際の光学システムにおける応用を考える能力も養う。この講義を修了した学生は、非線形光学に関する問題に取り組む際に必要な基礎知識や理論を備えていることが期待される。

キーワード

非線形光学効果、第2高調波生成、和・差周波数生成、光パラメトリック発振、第3高調波生成、古典非調和振動子、Millerの法則、Kleinmanの対称性、Kramers–Kronig関係、結合波方程式、位相整合、Manley–Rowe関係

学生が身につける力(ディグリー・ポリシー)

授業の進め方

授業は対面で行う。ただし、第4回はオンデマンド型とする。

授業計画・課題

授業時間外学修（予習・復習等）

学修効果を上げるため，教科書や配布資料等の該当箇所を参照し，「毎授業」授業内容に関する 予習と復習（課題含む）をそれぞれ概ね100分を目安に行うこと。

教科書

Robert W. Boyd, Nonlinear Optics, 4th ed. (Academic Press, 2020)

参考書、講義資料等

Y. R. Shen, The Principles of Nonlinear Optics (John Wiley & Sons, 2002).

成績評価の基準及び方法

複数回レポートを課す。

関連する科目

• PHY.C446 ： 光と物質 I
• PHY.C447 ： 光と物質 II
• PHY.C448 ： 光と物質 III
• PHY.C441 ： 結晶物理学

履修の条件(知識・技能・履修済科目等)

履修の条件を設けない。