기초전자물리학실험기초전자물리학실험 22

빛의 편광빛의 편광 , , 브루스터 법칙브루스터 법칙 , , 광세기 광세기 대 거리 역제곱 법칙대 거리 역제곱 법칙 (( 광학광학 4)4)

CH13

2008037383, 이름 최규범2008037377, 이름 차용환2008037371, 이름 진경택2008037359, 이름 조정옥

실험의 목표실험의 목표

빛의 편광을 설명할 수 있다빛의 편광을 설명할 수 있다 ..

말러스의 법칙을 실험으로 보여줄 수 있다말러스의 법칙을 실험으로 보여줄 수 있다 ..

브루스터의 법칙을 설명할 수 있다브루스터의 법칙을 설명할 수 있다 ..

브루스터 각을 측정할 수 있다브루스터 각을 측정할 수 있다 ..

점광원에서 나오는 빛의 세기는 거리의 역제곱의 관계가 있음을 점광원에서 나오는 빛의 세기는 거리의 역제곱의 관계가 있음을 보여줄 수 있다보여줄 수 있다 ..

A. A. 편광 또는 편파편광 또는 편파(Polarization)(Polarization)

E B

z x

y

c

E

E

지면에 수직인 진행방향에서 바라본 지면에 수직인 진행방향에서 바라본 편광 되지 않은 빛편광 되지 않은 빛 . . 전기장 벡터는 전기장 벡터는 진행 방향에 수직인 어느 방향으로도 진행 방향에 수직인 어느 방향으로도 같은 확률을 갖고 진동할 수 있다같은 확률을 갖고 진동할 수 있다 ..

속도 로 축 방향으로 진행하는 전자기파속도 로 축 방향으로 진행하는 전자기파 . . 전기장은전기장은 평면에서 진동하고평면에서 진동하고 , , 자기장은 평면에서 진동한다자기장은 평면에서 진동한다 ..c x

xy xz수직 방향으로 진동하는수직 방향으로 진동하는전기장 벡터를 갖는 선형전기장 벡터를 갖는 선형편광 된 빛편광 된 빛

== 전자기파의 진행

A. A. 편광 또는 편파편광 또는 편파(Polarization)(Polarization)

편광편광 : : 자연광은 진행방향에 대해서 직각인 모든 방향으로 진동을 하는데자연광은 진행방향에 대해서 직각인 모든 방향으로 진동을 하는데 , , 이와는 달리 한쪽 방향으로만 진동하는 빛 이와는 달리 한쪽 방향으로만 진동하는 빛

① ① 빛이 편광판을 통과할 때빛이 편광판을 통과할 때 , , 복굴절이 일어날 때복굴절이 일어날 때 , , 투명한 매질의 표면에서 반사투명한 매질의 표면에서 반사 될 때 일어남 될 때 일어남 ② ② 편광 현상은 빛이 횡파임을 증명하는 증거 편광 현상은 빛이 횡파임을 증명하는 증거

B. B. 말러스말러스 (Malus) (Malus) 법칙법칙

편광기편광기수직 편광된 빛수직 편광된 빛

편광되지 않은 빛편광되지 않은 빛

편광 방향편광 방향

편광기을 이용하여편광기을 이용하여 , , 자연광을 한 방향으로 편광 된 빛을 얻을 수 있다자연광을 한 방향으로 편광 된 빛을 얻을 수 있다 .. 편광기 하나를 더 이용하면편광기 하나를 더 이용하면 , , 편광된 빛의 방향을 바꿀 수 있다편광된 빛의 방향을 바꿀 수 있다 ..

x

B. B. 말러스말러스 (Malus) (Malus) 법칙법칙

==== 말러스의 법칙말러스의 법칙 y

편광 된 빛편광 된 빛

xE

yE

성분은 편광되고 성분만 남는다성분은 편광되고 성분만 남는다 ..xE yE 0E

cos0EE 파의 진폭이 배 감소파의 진폭이 배 감소cos빛의 세기는 파의 진폭의 제곱에 빛의 세기는 파의 진폭의 제곱에

비례하므로비례하므로

20 cosII

C. C. 광 지연광 지연

==== 단굴절과 복굴절단굴절과 복굴절 (Briefringent)(Briefringent)

단굴절 이란 진행파가 파장에 비해 원활한 단굴절 이란 진행파가 파장에 비해 원활한 경계면을 넘어 원래의 매질과 다른 매질 중에 경계면을 넘어 원래의 매질과 다른 매질 중에 진행하는 경우 또는 동일 매질이지만 온도차 진행하는 경우 또는 동일 매질이지만 온도차 등에 의해 파의 속도가 변화할 때에 진행 등에 의해 파의 속도가 변화할 때에 진행 방향이 바뀌는 현상을 말한다방향이 바뀌는 현상을 말한다 ..

등방성 매질에서 비등방성 매질로 들어가는등방성 매질에서 비등방성 매질로 들어가는경우에는 일반적으로 파면이 둘로 나뉘어져 경우에는 일반적으로 파면이 둘로 나뉘어져 복굴절의 현상을 나타낸다복굴절의 현상을 나타낸다 .. 복굴절 이란빛의 편광방향에 대한 굴절률이 다른 경우 , 입사한 빛의 파장이 같더라도 굴절률이 달라 빛이 갈라지는 현상을 말한다 .

ex) ex) 등방성 물질등방성 물질 ::비결정성 고분자나 유리비결정성 고분자나 유리 , , 액체액체 , , 기체기체

ex) ex) 비등방성물질비등방성물질 ::방해석방해석 , , 석영석영 , , 질산나트륨질산나트륨 , , 아황산나트륨아황산나트륨 , , 염화아연염화아연, , 황화아연 황화아연 (( 결정성 물질결정성 물질 ))

C. C. 광 지연광 지연

==== 복굴절복굴절 (Briefringent)(Briefringent)편광되지않은 빛 방해석

이상광선

정상광선

정상적인 굴절의 법칙을 따르는 정상적인 굴절의 법칙을 따르는 빛을 정상광선빛을 정상광선 (o-(o- 광선 광선 : ordinary ray),: ordinary ray), 비 정상적인 굴절을 하는 빛을 비 정상적인 굴절을 하는 빛을 비정상광선비정상광선 (e-(e- 광선 광선 : extraodinary ray): extraodinary ray) 이라한다이라한다 ..

복굴절복굴절이 일어나는 이유는 비등방성 물질 ( 결정 ) 일경우 분자들이 일정한 형태로 배열을 한 상태가 되는데 이때 각각의 방향에 대해서 분자내의 전자밀도가 다르기 때문이다 . 이들 전자에 의해 편광이 되고 그 결과 각각의 방향에 대해 다른 결과가 나오게 된다 . 이렇게 빛의 2 개의 횡방향 성분 사이에 상대적인 위상 지연이 생기는 현상을 광 지연광 지연이라고 한다 . 광통신에서 복굴절이 심하게 일어나면 , 신호 손실이 크므로 비등방성 물질을 광통신 선으로 사용한다 .

C. C. 광 지연광 지연

위상차가 생긴다

X 성분 벡터는 빠르게 통과

z 성분 벡터는 느리게 통과

D.D. 광 탄성광 탄성

무늬가 보이지 않음무늬가 보이지 않음 무늬가 보임무늬가 보임

유리나 플라스틱과 같은 물질은 변형력을 받으면 복굴절이 일어 난다 .플라스틱에 변형력이 가해지면 가장 큰 변형력을 받은 영역이 복굴절이 나타나며 플라스틱을 지나는 빛의 편광이 변한다 . 이때 밝은 띠를 나타내는 곳은가장 큰 변형력을 받는 곳에서 생기게 된다

사이버 실험실

E.E. 광 활성광 활성

== == 광활성광활성 : : 빛이 어떤 물체를 통과하면서 편광이 돌아가는 현상을 말하며 이러한 특성을 가지는 것을 광활성체라고 한다 .

E.E. 광 활성광 활성

==== 고유 광회전도고유 광회전도광학활성물질의 광회전능을 비교하는 척도이다 . 물질 혹은 용액의 두께 , 측정온도 (T) 및 빛의 파장 (λ) 에 따라 다른 값을 가지므로 고유선광도는 물질 고유의 값으로서 다음과 같이 정의하며 α(T, λ) 로 나타낸다 .

우회전성 (dextrorotatory)

좌회전성 (levorotatory)

고유 광회전도 = []T

= 길이 (m) x 농도 (g/ml)

관측 광회전도 ( 각도 )

E.E. 광 활성광 활성

==== 광활성의 응용 광활성의 응용 (LCD)(LCD)

전압이 걸려 광활성이 되지 않은 액정전압이 걸려 광활성이 되지 않은 액정

전압이 걸리지 않아 광활성이 된 액정전압이 걸리지 않아 광활성이 된 액정

빛이 투과 되지 않음

빛이 투과 됨

E.E. 광 활성광 활성

F.F. 브루스터 법칙 및 브루스터 각브루스터 법칙 및 브루스터 각

BB

평면에 평행

평면에 수직

r

입사광선입사광선 , , 반사광선반사광선 , , 굴절광선은굴절광선은한 평면에 있다한 평면에 있다 ..

F.F. 브루스터 법칙 및 부르스터 각브루스터 법칙 및 부르스터 각

B B

r모든 광선 ( 입사광선 , 굴절광선 , 반사광선 )은 법선과 같은 평면에 있다

평면에 수직인 성분

평면에 평행인 성분

==== 스넬의 법칙을 이용하여 스넬의 법칙을 이용하여 부르스터각부르스터각 B 를 구하기를 구하기

1

2

1

2

arctan

tancossin

)90sin(sin

sinsin

nn

nn

B

BB

B

B

B

r

B

1n

2n

21 sinsin nn rB

Br

rB

90

18090

과

관계 이용

F.F. 브루스터 법칙 및 부르스터 각브루스터 법칙 및 부르스터 각

==== 브루스터 법칙의 응용 브루스터 법칙의 응용 (( 유리 자르기유리 자르기 ))

반사광선 없음반사광선 없음

편광된 레이저 광선편광된 레이저 광선

유리유리

B

B

r

브루스터 법칙을 이용하면 유리를브루스터 법칙을 이용하면 유리를안전하게안전하게 또 손실없이 자를 수 있다또 손실없이 자를 수 있다 ..

G. G. 광세기 대 거리 역제곱 법칙 광세기 대 거리 역제곱 법칙

A 4A 9A

20

0r

antconstI 2rIantconst

)4.13(2

20

0 r

r

I

I

2r

antconstI

기준위치에서 빛의 세기기준위치에서 빛의 세기 임의의 점에서 빛의 세기임의의 점에서 빛의 세기

실험 방법 소개

• A B C D 진경택

• E F G 조정옥

실험장비 및 재료

적색 LD 광원 , light sensor arm, light sensor, 광학레일 , LabPro sensor interface, PC, 렌즈받침대 , Logger Pro 3 소프트웨어 , 편광기 2 개 , 투명한 플라스틱 그릇 1개 , 직사각 유리그릇 1개 , 20% 설탕 용액 100ml, ‘ㄷ’자 아크릴 조각 1개 , D 형 렌즈 , 촛불 모드 기능이 있는 손전등 1개 , 자 .

실험방법

• A. 말러스 법칙• B. 광 지연 (Optical Retardation)• C. 광 탄상 (Photo-elasticity)• D. 광 활성 (Optical Activity)• E. LCD 의 편광 특성• F. 브루스터 법칙 및 브루스터 각 측정 실험• G. 광세기 대 거리 역제곱 법칙

A. 말러스 법칙 실험

1) 편광기 2 개를 손으로 들고 겹쳐서 이들 편광기를 통해서 형광등 불빛을 눈으로 관찰한다 . 실험자 가까이 있는 편광기를 돌려가면서 통과한 불빛의 세기를 관찰한다 .

2) 적색 Laser 광의 편광된 정도를 편광기 1개로 측정하여 본다 . 편광기를 편광축을 돌려가면서 투과한 빛의 세기를 조사한다 .

3) 그림 13.2 말러스 법칙 측정 실험 구성도를 준비한다 . 광학 레일의 왼쪽부터 적색 레이저 광원 , 제 1 편광기(Polarizer), 제 2 편광기 (Analyzer), 광센서를 순서대로 배치하라 . 광원 쪽의 제 1 편광기는 편광축을 수직 기준으로 ‘ 0도’로 설정한다 . 광센서 쪽의 제 2 편광기의 편광축 , 즉 편광축 사이각 을 ∅‘ 0도 ~360 도’로 바꾸면서 광센서에 들어오는 빛의 세기를 측정한다 . 그림 13.3 에 편광 실험 구성 사진을 제시하였다 .

Laser Diode Light Source

Rotational Table

Optical Rail

LabPro

PC w. Logger Pro 3

Polarizer 1Polarizer 2 (Analyzer)

Optical Sensor

그림 13.2 말러스 법칙 측정 실험 구성도

B. 광 지연 (Optical Retardation)

1) 그림 13.4 광 지연 및 광 탄성 실험 구성도를 준비한다 .

2) 제 1 편광기의 편광축은 수직으로 , 제 2 편광기 편광축은 수평 , 즉 90 도로 하여 투과광이 전혀 나오지 못하게 한다 . 이 상태에서 두 편광기 사이에 광 지연기 (Optical Retarder) 로 투명한 플라스틱 통의 뚜껑을 삽입하여 광 지연을 관찰한다 .

3) 편광기 2 개를 90 도 어긋나게 겹치고 그 사이에 투명한 플라스틱 통의 뚜껑을 삽입한 채로 형광등 불빛을 본다 .

Laser Diode Light Source

Rotational Table

Optical Rail

LabPro

PC w. Logger Pro 3

Polarizer 1(Vertical)

Polarizer 2 (Horizontal)

Optical Sensor

Optical Retarder (Plastic Cover, Lucite Chip)

그림 13.4 광 지연 및 광 탄성 실험 구성도

C. 광 탄성 (Photo-elasticity)

1) 그림 13.4 ‘ 광 지연 및 광 탄성 실험 구성도’에서 광 탄성 물질로 두께 10mm 투명한 ‘ㄷ’자 모양 아크릴 조각을 샘플로 넣고 ‘ㄷ’끝을 손가락으로 누르면서 투과광이 어떻게 바뀌는지 관찰한다 . 이 결과로부터 아크릴 조각의 광 탄성을 설명한다 .

D. 광 활성 (Optical Activity)

1) 광 활성 실험 구성도를 준비한다 . 광 활성 물질로 유리 그릇에 담긴 두께 130mm 농도 20% 설탕물을 샘플로 넣고 빛이 투과되는지를 관찰한다 . 빛이 투과하므로 편광축이 돌아갔음을 알 수 있다 . 즉 설탕물에서 광 활성이 있음을 알 수 있다 . 제 2 편광기를 회전시키면서 빛의 세기가 최소 또는 완전히 못 통과하는 편광축의 회전각 , 즉 광 활성각 ∅ [ 도 ] 을 측정한다 . 이때 기준 각도는 수평 즉 90 도이다 . 단위 길이당 회전각 β[ 도 /mm] 는 ?

Laser Diode Light Source

Rotational Table

Optical Rail

LabPro

PC w. Logger Pro 3

Polarizer 1(Vertical)

Polarizer 2

Optical Sensor

Optical Activer (Sugar Syrup)

그림 13.5 광 활성 실험 구성도

E. LCD 의 편광 특성

1) LCD 모니터의 빛을 편광기를 통하여 편광축을 돌려가면서 관찰하라

F. 브루스터 법칙 및 브루스터 각 측정 실험

1) 브루스터 법칙 및 브루스터 각 측정 실험 구성도를 준비한다 . 광학레일 위에 왼쪽부터 적색 레이저 광원 , 제 1편광기 , 제 2 편광기 , D 형 아크릴 샘플 ( 렌즈 받침대 위에 설치 ), light sensor arm, light sensor 를 순서대로 설치한다 .

2) D 형 렌즈의 입사각을 조정하면서 light sensor 에 연결된 arm 을 회전시켜서 D 형 렌즈에 반사된 빛이 sensor 에 들어가도록 맞추고 빛이 소멸되는 즉 브루스터 법칙을 확인한다 . 이때의 입사각 , 즉 브루스터 각 Ɵ 을 측정한다 .

3) 브루스터 입사각에서 편광을 TE( 편광이 입사면 직각 )로 바꾸고 , 즉 제 2 편광기의 편광축을 ‘ 0도’로 바꾸어 반사가 생기는 것을 확인한다 .

1r

D-Lens

Laser Diode Light Source

Rotational Table

Optical Rail

LabPro

PC w. Logger Pro 3

Polarizer1Polarizer 2 (Analyzer)

TM Polarization

Optical Sensor

그림 13.6 브루스터 법칙 및 브루스터 각 측정 실험 구성도 . TM 편광 ( 수평편광 ) 입사

G. 광세기 대 거리 역제곱 법칙 실험

1) 광세기 대 거리 역제곱 법칙 실험 구성도를 준비한다 . 휴대형 손전등의 집광용 렌즈를 제거하여 점광원의 흉내를 낸다 . 이 광원을 광학레일의 왼쪽 끝에 위치시키고 , light sensor를 LabPro 를 통해 PC 에 연결한다 .

2) 광원과 Light sensor 사이의 ‘거리 r[m]’(가로축 ) 를 바꾸어 가면서 ‘광의 세기 I[Lux]’(세로축 ) 를 Logger Pro 3 의 ‘ Event with Entry’ 모드로 측정 기록한다 .

Candle Mode Flash Lamp Light Source

Optical Rail

LabPro

PC w. Logger Pro 3

Optical Sensor

그림 13.7 광세기 대 거리 역제곱 법칙 실험 구성도