[물리실험] Geometrical Optics (기하학 광학실험)

[물리실험] Geometrical Optics (기하 광학 실험)

 

1. 단일 슬릿에 의한 회절 현상

 

 

 

 

 

2. 이중 슬릿에 의한 간섭 현상

 

 

 

 

 

3. 회절격자

 

(1) 레이저

▲ 회절발 4개

 

▲ 회절발 8개

 

▲ 회절발 16개

 

(2) 백색광

▲ 회절격자에 의해 간섭된 백색광

 

▲ 회절격자에 의해 간섭된 백색광

 

▲ CD에 반사된 백색광

 

4. 구면 수차와 색 수차

 

▲ 구면 수차

 

▲ 색 수차

 

▲ 볼록렌즈의 중앙을 가렸을 때

 

▲ 볼록렌즈의 중앙을 가렸을 때

 

• 구면수차 & 색수차

; 구면수차는 렌즈의 구경이 작고 초점거리가 길수록 작아진다. 이는 구면 수차가 렌즈 모양이 이상적이지 못하기 때문에 발생하는 것이다. 이에 반하여, 색수차는 모든 광선에서 발생하는 것이 아니라 태양광처럼 여러 가지 색광으로 이루어진 다색 광에서만 발생하는 현상이므로 레이저 같은 단색광에서는 이러한 색수차가 발생하지 않지만 우리가 접하는 광선들의 경우 거의가 다색 광이므로 색수차가 문제가 되는 것이다. 이처럼 다색광에서 색수차가 발생하는 것은 각 파장에 따라 굴절률이 서로 다르기 때문으로 청색계열의 단파장의 빛은 굴절률이 커지만 적색계열의 장파장의 빛은 굴절률이 작으므로 빛의 파장에 따라 초점이 맺히게 되는 위치가 달라지므로 발생하는 현상인데 재질에 따라서 빛의 굴절율이 달라지는 것도 색수차의 원인이라 할 수 있다. (프리즘의 원리와 같음)

색수차는 렌즈의 초점거리가 길어질수록 색의 분산범위가 커지므로 색수차를 줄여주는 방법에는 굴절율이 서로 다른 여러개의 글래스 (예, 프린트 유리.크라운 유리)를 사용하는 방법이 있다.

위의 두 사진은 백색광원을 이용하여 수차를 확인해 본 결과 이다. 렌즈를 광원과 스크린 사이에서 왔다 갔다 하다가 보면, 왼쪽의 그림처럼 필라멘트 상이 또렷하게 나오는 것을 관찰 할 수 있다. 그러나, 렌즈의 중간을 가려서 빛이 렌즈의 바깥부분으로만 통과하게 하였더니, 오른쪽 그림과 같이 뚜렷한 구면수차와 색수차를 관찰 할 수 있었다. 중앙을 가리자, 두 수차가 동시에 발생하는 이유는, 우선 중앙을 가렸기 때문에 구면 수차에 의해서 빛이 퍼지게 되어서 오른쪽그림의 필라멘트 상이 더 크게 맺히고, 무지개 빛깔이 나오는 것은 렌즈를 통해서 들어온 빛을 아무것도 가리지 않은 상태에서 한 왼쪽의 경우는 정확히 들어오는 빛이 너무 강해서 색수차가 눈으로 관측되지 않는 상태였는데, 중앙을 가림으로서 빛의 세기가 약해지고 그 결과, 색수차가 선명히 나타나게 되어, 관찰 할 수 있게 된 것이다.

• 단일 슬릿 & 이중 슬릿

; 단일 슬릿 실험에서는 회절 현상만 관찰 되는 것에 반하여, 이중 슬릿 실험에서는 회절과 간섭현상이 복합적으로 나타는 것을 볼 수 있었다. 단일 슬릿의 결과는 우리가 익히 보듯이, 위에 첨부한 사진처럼 나왔다. 그리고 이어서 이중 슬릿으로 실험을 해 보았을 때에도 단일 슬릿처럼 회절 현상만 일어나는 것처럼 보였다. 그러나, 회절에 의해서 밝아진 부분을 자세히 관찰해보면 회절에 의해서 밝게 된 부분 안에서도 다시 밝고 어두운 부분이 반복되고 있음을 확인 할 수 있었다. 그 결과는 위에 이중슬릿 란에, 첨부한 사진과 같다.

우리가 일반적으로 위와 같이 그래프로 스크린에 맺힌 빛의 세기를 나타내는 데, 그것을 실제로 레이저를 사용해 보면 아래의 그림과 같은 스크린에 나타난다. 우리는 이를 이번 실험을 통해 이 사실을 명확하게 확인 할 수 있었다. 이중 슬릿 실험에서는 두 슬릿 사이의 간격이 중요한데, 위에 관찰한 결과는 슬릿사이의 간격이 클 때부터 작아지는 순서로 나열 하였다. 결과를 보면, 슬릿의 간격이 클 때 더 선명한 이중슬릿에 의한 회절과 관섭효과를 볼 수 있었다.
(자세한 이론에 관한 설명은 발표조만 하는 것이었으므로, 생략하겠습니다.^^)

• 회절 격자

; 회절 격자를 이용한 간섭무늬는 쉽게 설명해 이중슬릿에서 슬릿을 더 첨가한 실험이라고 볼 수 있다. 그 결과 이중 슬릿을 이용한 간섭무늬보다 밝은 부분의 폭이 좁아졌다. 또한 회절발의 개수가 증가할수록 밝은 부분의 폭이 더 좁아짐을 알 수 있었다. 간섭무늬에서 밝은 부분은 파동의 보강 간섭에 의해 생기는데 이 때 중첩하는 파동들의 위상이 모두 같아야 한다. 회절격자는 중첩하는 파동들이 많아지므로 그 밝고 어두운 부분이 더 선명하고 짧은 범위에서 나타나는 것이다.(이론 설명 이하 생략)

우리에게 더 인상적이었던 실험은 위의 글림에서 아래쪽에 어렴풋하게 찍힌 무지개 모양으로 회절이 일어난 모습이다. 저 실험은 어두운 암실에서 백색광을 여러 겹의 가리개를 통해서 광원에서 나온 빛에 스크린에서 가는 빛줄기를 나타내도록 만든 뒤, 스크린과 가리개 사이에 회절격자 중 한 칸만이 그 빛을 지나게 함으로서 빛이 그 가는 슬릿을 지나면서 발생하는 장애물의 주위에서 파동이 퍼지는 현상인, 회절을 관찰한 것이다. 쉽지 않은 실험이었으나, 결과가 나와서 뿌듯하다.

그리고 이어진 실험에서는 CD를 통해서 같은 효과를 관찰해 보았다. 그 결과 위의 첨부한 사진처럼 선명한 모습을 관찰 할 수 있었다. 이 원리는 CD에는 우리 눈에는 잘 보이지 않는 아주 촘촘한 동심원이 있고 이것이 아주 가는 격자의 역할을 하게 된다. 그 결과 빛을 비추면 반사할 때에 빛의 파장이 길고 짧음에 따라 무지개 색으로 분리되고 각 단색광이 빛의 간섭현상에 의해 어둡고 밝은 무늬가 나타나는 원리이다. CD 표면에서 반사된 빛을 관찰했는데 CD의 표면을 벗겨서 직접 통과시켰을 때의 빛을 관찰해 봤으면 하는 아쉬움이 있다. 그 결과도 역시 무지개 빛이 나올 것으로 예상된다.

 

 

2021.09.23 - [물리실험] 광센서를 이용한 빛의 회절 및 간섭