마이크로파 실험장치 설명서 - curie.daegu.ac.krcurie.daegu.ac.kr/pub/2학년 2학기/microwave optics(1-6).pdf · 전통적인 광학 실험의 작은 스케일로 인해

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㈜와이케이사이언스 TEL:02)546-1565 E-Mail:[email protected]

마이크로파 실험장치 설명서 (WA-9316)

Microwave Optics

제작사: PASCO Scientific

한국대리점: (주)와이케이사이언스 TEL: 02)546-1565

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목 차

항 목

페이지

저작권, 품질 보증, 장치 반품

소 개

부 품

초기 준비

액세서리 부품

실험을 위한 장치 조립

실 험

실험 1: 장치 소개

실험 2: 반사

실험 3: 정상파 – 파장 측정

실험 4: 프리즘을 통한 굴젃

실험 5: 편광

실험 6: 더블 슬릿(Double-Slit) 갂섭계

실험 7: 로이드 거울(Lloyd's Mirror)

실험 8: 패브리 페로(Fabry-Perot)갂섭계

실험 9: 마이컬슨 갂섭계(Michelson Interferometer)

실험 10: 섬유 광학

실험 11: 브루스터 각(Brewster's Angle)

실험 12: 브래그 회젃 (Bragg Diffraction)

지도자 노트

부 록

도 표

교체 부품 목록

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소 개

마이크로파에서 광학 현상을 연구하는 데에는 여러 가지 이점이 있다. 2.85 센티미터의 마

이크로파를 이용하면, 주파수가 실험의 스케일을 바꾸어 놓는다. 미크론이 센티미터가 되고,

전통적인 광학 실험의 작은 스케일로 인해 애매해져 버린 변수들을 쉽게 관찰하고 조작할

수 있게 된다. PASCO scientific의 WA-9314B 기초 마이크로파 실험 장치 (Basic

Microwave Optics System)는 이러한 교육적 이익을 최대한 활용하도록 설계되어 있다. 기

초 마이크로파 실험 장치에는 2.85 센티미터 주파수의 마이크로파 송신기와 다양한 증폭

(1X -30X)의 수신기가 함께 제공되며, 다양한 파동 현상을 연구하는데 필요한 액세서리 부

품들도 모두 포함되어 있다.

본 매뉴얼은 마이크로파 장치의 조작과 유지 관리에 대해 설명하고, 반사 및 굴절에서, 마

이컬슨(Michelson)과 패브리페로(Fabry-Perot) 간섭계의 마이크로파 모델에 이르기까지 다

양한 실험들을 대한 자세한 설명을 제공한다. 또한 고급 마이크로파 실험 장치(Complete

Microwave Optics System, WA-9316)나 마이크로파 액세서리 패키지(Microwave

Accessory Package, WA-9315)를 가지고 있는 사용자들을 위해, 브래그 회절(Bragg

diffraction) 및 브루스터 각(Brewster's angle)을 연구하기 위한 실험들에 대해서도 설명하

고 있다.

부 품

건다이오드 송신기(Gunn Diode Transmitter)

건다이오드 마이크로파 송신기는, 2.85cm 주파수에서 15mA의 연속적으로 편광된 가(可)간

섭성 마이크로파 출력을 제공한다. 이 장치는 10.525GHz 공진 동공에서의 건다이오드와,

출력을 유도하는 마이크로파 호른(microwave horn), 테이블 표면 반사를 감소시키는 18cm

받침대로 구성되어 있다. 송신기는 제공된 전원 장치를 사용하여, 표준 115 또는 220/240

VAC, 50/60 Hz 콘센트에서 직접 전원을 공급할 수 있다. 이 밖에도 LED 전원 표시 장치와,

편광각(angle of polarization)을 보다 쉽게 측정할 수 있도록 해주는 회전 눈금 등의 기능이

있다.

건다이오드는 마이크로파 대역에서 진동하는 비선형 저항기 역할을 한다. 다이오드 축을 따

라 출력이 선형으로 편광되어 있고, 부착된 호른(horn)은 호른 축을 따라 집중된 마이크로

파 방사선의 강력한 광선을 발산한다.

마이크로파 송신기 조작

먼저 전원 장치를 송신기 바닥 패널에 있는 잭에 꽂고, 표준 115 또는 220/240 VAC,

50/60 Hz 콘센트에 연결한다. LED에 불이 들어오며 장치가 켜져 있음을 나타낸다.

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젂원 장치 사양:

9 Volt DC, 500 mA;

미니어처 폰 잭 커넥터 (Miniature Phone Jack Connector: 끝부분은 양극)

마이크로파 송신기와 전원 장치

마이크로파 수신기

마이크로파 수신기는 미터 수치를 제공하는데, 저진폭(low amplitude) 신호의 경우, 미터 수

치는 거의 입사 마이크로파 신호의 강도에 비례한다. 마이크로파 호른은 송신기의 그것과

동일하며, 10.525GHz 공진 동공에서 마이크로파 신호와 채널을 쇼트키 다이오드(Schottky

diode)로 모은다. 다이오드는 다이오드 축을 따라 편광된 마이크로파 신호의 분력에만 반응

하며, 이는 마이크로파 신호 강도에 따라 다양한 DC 전압을 생성한다.

수신기의 특징으로는, 1에서 30까지의 증폭 범위를 들 수 있는데, 다양한 감도 스위치

(sensitivity

knob)가 있어 각 범위의 증폭을 미세하게 조정할 수 있다. 교실 내 실험 진행의 편의를 위

해, 프로젝션 미터계(projection meter: PASCO 모델 ES-9065 프로젝션 미터계 (Projection

Meter) 또는, SE-9617 DC Voltmeter (DC 전압계) 등)에 접속하는 출력 신호용 바나나 플러

그 커넥터를 제공한다. 또한 이 출력을 활용하여 오실로스코프로 신호를 보다 자세히 연구

할 수도 있다. 수신기 전원에는 배터리를 이용하며, LED 배터리 표시기가 있어 수신기가 켜

▶ 주의: 마이크로파 송신기의 출력은 표준 안젂 범위 내에 있다. 그러나, 송신기가

켜져 있을 때에는, 젃대 마이크로파 호른을 가까이에서 직접 보아서는 안된다.

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져 있고 배터리가 작동 중이면 LED에 불이 들어온다. 송신기와 같이, 18cm 높이의 받침대

로 테이블 표면 반사를 최소화 할 수 있고, 회전 눈금이 있어 편광각을 쉽게 측정할 수 있

다.

마이크로파 수신기

수신기 측면의 암(female) 오디오 커넥터는 옵션 부품인 마이크로파 검파기 프로브

(Microwave Detector Probe, PASCO Model WA-9319) 용이다. 프로브는 호른과 공진 공동

이 없는 것만 제외하고 수신기와 동일하게 작동하며, 본 매뉴얼의 실험 3에 나와 있는 정상

파 패턴(standing wave pattern)과 같이 호른이 방해가 될 수 있는 파형을 조사하는데 특히

편리하다.

마이크로파 수신기 조작

① INTENSITY(강도) 선택 스위치를 OFF에서 최저 증폭 레벨인 30X로 바꾸어 놓는다.

배터리 표시 LED에 불이 들어오면, 배터리가 정상으로 작동하는 것이다. 그렇지

▶ 주의: 수신기(와 프로브)의 감파기 다이오드는 비선형 장치이다. 이 비선형 장치는

대부분의 실험에서 아무 문제가 없으나, 미터 수치가 입사 마이크로파의 젂기장(E)이나

강도(I)에 직접 비례하지 않는다는 사실을 명심해 두어야 한다. 그 대신, 대개 중갂값을

반영한다.

▶ 주의: 수신기를 사용하기 젂, 장치에 포함되어 있는 9볼트 트랜지스터 배터리 두 개

를 장착해야 한다. 본 매뉴얼 마지막의 유지보수 부분 참조.

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않으면, 본 매뉴얼의 유지보수 부분에 나와있는 절차에 따라 배터리를 교체한다.

② 마이크로파 호른을 입사 마이크로파 신호를 향하게 놓는다. 편광효과를 조사하는

게 아니면, 송신기와 수신기의 편광각을 같은 방향으로 조절한다. (즉, 두 호른 모

두 수직으로, 또는 수평으로 조절)

③ VARIABLE SENSITIVITY(가변 감도) 스위치를 조정하여 중앙 눈금 주변의 미터 수

치를 확인한다. 눈금이 휘지 않을 경우, INTENSITY 선택 스위치를 시계 방향으로

돌려 증폭을 증가시킨다. 이 때, 서로 다른 INTENSITY 설정에서 얻은 측정값을 정

량적으로 비교하고자 할 경우, 미터 수치에 해당 INTENSITY 선택 값(30X, 10X, 3X,

또는 1X)을 곱해야 한다는 것을 잊지 않도록 한다.

▶ 주의: INTENSITY 선택 설정값(30X, 10X, 3X, 1X)은 측정치 표준화를 위해 계기 수

치에 곱해야 하는 값이다. 30X를 예로 들면, INTENSITY를 1X로 설정한 상태에서 동읷

한 신호에 대해 측정한 수치와 같은 수치를 얻기 위해서는, 계기 수치에 30을 곱해야

한다는 의미이다. 물롞, 이는 측정치들 사이의 VARIABLE SENSITIVITY(가변 감도) 스위

치의 위치를 변경하지 않았을 경우에맊 해당된다.

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초 기 준 비

실험을 진행하기 전에, 다음과 같은 순서로 마이크로파 송신기와 수신기를 각 받침대에 장

착한다.

① 송신기와 수신기의 뒷면 패널에 있는 검은 나사를 손으로 돌려 빼낸다.

② 아래 그림과 같이 두 장치를 받침대에 장착하고, 와셔(washer) 위치를 관찰한다.

③ 송신기나 수신기의 편광각을 조절하려면, 먼저 나사를 손으로 풀어내고 장치를 회

전시켜 원하는 방향에 맞춘 다음, 다시 나사를 조인다. 편광각을 측정할 때는 각

장치의 뒷면에 있는 회전 눈금을 참조한다. 단, 대부분의 실험에서 송신기와 수신

기를 서로 마주 보게 하여 사용하므로, 편광각을 서로 맞춰야 함을 명심한다. 한

장치를 10도 각도로 회전시킬 경우, 다른 장치도 반드시 10도(350도) 각도로 회전

시켜 극의 배열을 올바르게 맞춰야 한다.

송신기와 수신기 받침대 장착

나사

와셔

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악 세 서 리 부 품

기초 마이크로파 실험 장치에 포함된 액세서리 부품들은 다음과 같다.

고니오미터(1)

회젂 테이블(1)

회젂 테이블

부품 홀더(2)

회젂형 부품 홀더(1)

고정형 암 어셈블리 (arm assembly)(1)

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WA-9316 고급 마이크로파 실험 장치

(Complete Microwave Optics System)의 일부

인 WA-9315 마이크로파 액세서리 패키지

(Microwave Accessory Package)에는 다음과

같은 부품이 포함되어 있다.

WA-9314B 기초 마이크로파 실험 장치와 호환

되는 다음 부품들은 PASCO scientific에서 구

매할 수 있다.

금속 반사경(2)

부분 반사경(2)

편광판(2)

슬릿 익스텐더 암 (Slit Extender Arm: 2)

Ethafoam 프리즘 틀 및 스티렌 펠렛(Pellet) (1)

튜브형 비닐봉지(4)

입방 격자(cubic lattice)와 금속구 100개-5x5x4 배열 (1)

폴리에틸렌 판 (1)

좁은 슬릿 스페이서 (Slit Spacer) (1)

넓은 슬릿 스페이서 (Slit Spacer) (1)

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WA-9319 마이크로파 감파기 프로브(Microwave Detector Probe) 는 마이크로파 송신기에 직

접 연결한다. 이 프로브는, 파형 측정 시 수신기의 호른이 방해가 될 수 있는 실험들에서

매우 유용하다.

WA-9318 마이크로파 모듈레이션 키트(Microwave Modulation Kit)에는 모듈레이터와 마이크

가 포함되어 있다. 이 키트를 활용, 송신기와 수신기를 마이크로파 통신 장치처럼 활용할

수 있다.

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실험을 위한 장치 조립

고니오미터의 암(arm) 부분을 그림과 같이 부품 홀더에 밀어 넣고, 암 하단의 자기대가 캐

리지 베이스(carriage base)에 고정되었는지 확인한다. 홀더의 위치를 조정할 때에는, 고니

오미터 암을 따라 밀기면 하면 된다. 같은 방식으로 고니오미터 암에 마이크로파 송신기와

수신기의 설치용 받침대를 장착한다.

대부분의 실험에서, 고니오미터의 긴 암에는 송신기를, 짧은 회전형 암에는 수신기를 설치

하는 것이 좋다. 그러면 마이크로파 빔(beam)과 고니오미터의 긴 암(또는 각도 플레이트

(degree plate))에 설치된 부품 간의 관계를 고정적으로 유지할 수 있으며, 보다 쉽게 수신

기를 움직여 출력을 샘플링 할 수 있다.

반사경, 부분 반사경, 편광판, 슬릿 스페이서(Slit Spacer), 슬릿 익스텐더 암(Slit Extender

Arm)은 모두 부품 홀더에 자석으로 부착된다. 고니오미터 암을 따라 표시되어 있는 미터

눈금과, 암의 접합부에 있는 각도 플레이트로, 부품의 위치를 쉽게 측정할 수 있다. 회전형

암을 회전시킬 때에는, 각도 플레이트가 움직이지 않도록 테이블에 꽉 잡고 있는다.

부품 홀더 설치

▶ 주요 주의사항:

1. 주의 – 읷부 상황에서는, 마이크로파가 젂기 의료 장비에 영향을 미칠 수 있

다. 읶공심박조율기나 기타 젂기 의료 장비를 사용할 경우, 10.525 GHz의 저

출력 마이크로파가 기기 조작에 영향을 미치지 않는지 의사나 제조업자에게

반드시 확읶한 후 사용한다.

2. 기구를 사용할 때에는 반드시 깨끗하고 매끈한 테이블 위에 놓고 사용하도록

한다. 장치를 설치하기 젂에, 고니오미터 암 바닥 부분에 있는 자기대에 부

착될 수 있는 물질 – 특히 금속 조각-은 모두 깨끗이 털어낸다.

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실 험 1: 장치 소개

필요기구 송신기

수신기

고니오미터

반사경

목 적 이 실험은 마이크로파 실험 장치에 대한 체계적인 안내를 제공한다. 장치를 효율적으로

사용하는 방법을 배우고, 장비를 사용한 측정의 중요성을 이해하는 데 도움이 될 수 있

다. 단, 다음 실험들을 위한 필수 조건은 아니다.

순 서 ① 송신기를 고정 암에 장착하고, 수신기와 함께 그림 1.1과 같이 고니오미터 위에 정

렬한다. 이 때 송신기와 수신기의 극성은 동일하게 맞추고, 그림과 같이 호른이 같

은 방향을 향해야 한다.

그림 1.1 장치 준비

② 송신기를 전원에 연결하고, 수신기의 INTENSITY 선택 스위치를 OFF에서 10X로

돌린다. (두 장치의 LED 모두에 불이 들어와야 한다.)

③ 송신기의 소스 다이오드(source diode)와 수신기의 감파기 다이오드 사이의 거리

(그림 1.1의 R)가 40cm가 되도록 송신기와 수신기를 맞춘다 (송신 및 수신 지점

위치는 그림 1.2 참조). 다이오드들은 베이스 상에 “T”, “R”이라고 표시된 부분에

위치한다. 수신기의 INTENSITY와 VARIABLE SENSITIVITY 다이얼을 조정하여 미

터 수치가 1.0 (풀 스케일)이 되도록 한다.

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④ 거리 R을 표 1.1의 각 값에 맞추고, 각 경우의 미터 수치를 기록한다 (측정 중간에

수신기 컨트롤을 조정하지 않는다). 측정 후에는, 표에 나와 있는 계산 값을 구한

다.

표 1.1

⑤ R을 70-90cm 사이의 값으로 설정한 다음, 미터계를 보면서 천천히 송신기와 수신

기 사이의 간격을 좁힌다. 거리가 감소함에 따라 눈금 휘도가 점점 증가하는가?

⑥ R을 50-90cm 사이의 값으로 설정한 다음, 반사경을 움직인다. 이 때 마이크로파

빔의 축에 평행한 평면을 그림 1.3과 같이 빔 축 쪽으로, 빔 축에서 멀리 움직이며,

미터 수치를 관찰한다. 5번, 6번 단계에서 관찰한 결과를 설명할 수 있는가? 이 현

상에 대해서는 매뉴얼 후반의 실험 3, 실험 8에서 보다 자세하게 연구하게 되므로,

설명할 수 없더라도 걱정할 건 없다. 지금은 일단 다음 사항에 주의를 기울여 보자.

그림 1.3 반사

송신기 신호 수신의 유효점(Effective Point)

송신기 신호 발신의 유효점(Effective Point)

수신기 송신기

미터 수치

반사경

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⑦ 수신기 뒷면의 나사를 풀고, 그림 1.4와 같이 수신기를 회전시킨다. 이를 통해 최

대 감지 극성이 변화한다 (수신기 호른을 들여다보고 감파기 다이오드의 정렬을 확

인한다). 호른을 360도로 돌리면서 계속 미터 수치를 확인한다. 이 때 작은 거울을

사용하면 수신기를 돌리면서 보다 쉽게 미터 수치를 확인할 수 있다. 수신기가 아

무 신호도 감지하지 못하는 극성은 어느 극성인가?

이번에는 송신기 호른도 돌려보자. 끝난 다음에는 송신기와 수신기의 극성이 맞도

록 (즉, 두 호른이 모두 수직 또는 수평이 되도록) 다시 조정한다.

그림 1.4 극성

⑧ 호른의 출력 표면 중심이 고니오미터 암의 각도 플레이트(Degree Plate) 중앙 바로

위에 오도록 송신기를 놓는다 (그림 1.5 참조). 수신기는 송신기를 바로 마주보도

록 하여 고니오미터 암 위에 가능한 멀리 놓은 상태에서, 수신기 컨트롤을 미터 수

치 1.0으로 조정한다. 그 다음, 그림과 같이 고니오미터의 회전형 암을 회전시킨다.

회전 각도를 표 1.2에 나와 있는 각 수치에 맞추면서(각도 눈금 상에서 180도 지

점에 대해 측정), 각 경우의 미터 수치를 기록한다.

그림 1.5 신호 분포

▶ 중요: 테이블 표면 등 가까운 물체로부터의 반사는 마이크로파 실험 결과에 영향

을 미칠 수 있다. 외부 반사의 영향을 줄이기 위해, 짂행중읶 실험에 필요한 부품을

제외한 모든 다른 물체들, 특히 금속 칩들을 테이블 위에서 깨끗이 치운다.

나사

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표 1.2

문 제 ① 전자기파의 전기장은 파동원(wave source)까지의 거리에 반비례한다 (즉, E = 1/R).

실험 4단계에서 얻은 데이터를 이용하여, 수신기의 미터 수치가 파동의 전기장에

정비례하는지 알아보자.

② 전자기파의 강도는 파동원까지의 거리의 제곱에 반비례한다 (즉, I = 1/R2). 실험 4

단계에서 얻은 데이터를 이용하여, 수신기의 미터 수치가 파동의 강도에 정비례하

는지 알아보자.

③ 7번 단계에서 얻은 결과를 고려했을 때, 송신기 출력을 구면파라고 생각할 수 있는

한도는 어디까지인가? 평면파는?

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실 험 2 : 반 사


수신기

회젂형부품홀더

고니오미터

금속반사경

순 서 ① 송신기를 고니오미터의 고정 암에 장착하고, 그림 2.1과 같이 장치를 정렬한다. 이

때 송신기와 수신기의 극성은 동일하게 맞추고, 그림과 같이 호른이 같은 방향을

향하도록 한다.


② 송신기를 전원에 연결하고, 수신기의 INTENSITY 선택 스위치를 30X에 맞춘다.

③ 송신기에서 나오는 입사파와 반사경 평면에 수직인 선 사이의 각도를 입사각(Angle

of Incidence)이라고 한다 (그림 2.2 참조). 입사각이 45도가 되도록 회전형 부품

홀더를 조정한다.

그림 2.2 입사각과 반사각

④ 송신기나 수신기는 그대로 둔 상태에서, 미터 수치가 최대가 될 때까지 고니오미터

의 이동형 암을 회전시킨다. 수신기 호른의 축과 반사경 평면에 수직인 선 사이의

각도를 반사각(Angle of Reflection)이라고 한다.

⑤ 표 2.1에 나와 있는 각 입사각에서, 해당 반사각을 측정하여 기록한다.

반사경

반사각

입사각

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표 2.1

문 제 ① 입사각과 반사각은 어떤 관계인가? 모든 입사각에 대해 이 관계가 유지되는가?

② 반사각을 측정할 때, 미터 수치가 최대가 되는 각도를 찾아 측정했다. 일부 파동이

다른 각도로 반사되는 이유를 설명할 수 있는가? 이는 문제 1에 대한 답에 어떤

영향을 미치는가?

③ 완벽한 평면파로 이 실험을 완벽하게 실행하면, 송신기 방사선이 모두 동일한 입사

각으로 수신기에 부딪힌다. 송신기에서 나온 마이크로파는 완벽한 평면파인가 (실

험 1, 7단계 참조)? 완벽한 평면파라면 실험 결과가 달라질까? 설명하세요.

추가 실험을 위한 문제 ① 반사는 마이크로파의 강도에 어떤 영향을 미치는가? 수신기에 부딪히는 파동의 에

너지는 모두 반사되는가? 반사된 신호의 강도는 입사각에 따라 달라지는가?

② 금속은 마이크로파의 좋은 반사경이다. 다른 물질의 반사 성질을 조사해보자. 얼마

나 잘 반사하는가? 에너지 일부가 물질을 통과하는가? 물질이 에너지 일부를 흡수

하는가? 전도성 물질과 비전도성 물질의 반사 성질을 비교해보자.

▶ 주의: 다양한 각도 설정에서, 수신기는 송신기에서 직접 오는 파동과 반사파를 모두

감지하므로, 잘못된 결과를 얻게 된다. 이와 같은 현상이 일어나는 각도를 구하고, 이

각도에서 수집한 데이터에 별표 “*”를 하세요.

입사각 반사각

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실 험 3: 정상파 – 파장 측정


수신기

부품홀더

고니오미터

반사경

마이크로파감파기프로브

소 개 전자기파 두 개가 공간에서 만나면 서로 겹쳐진다. 따라서, 임의의 지점에서 총 전기장

은 두 파동이 해당 지점에서 만들어낸 전기장의 합이 된다. 두 파동이 같은 주파수, 다

른 방향으로 움직일 경우에는, 정상파(standing wave)를 형성한다. 두 파동의 장이 서

로 상쇄되는 부분에는 마디(node)가, 겹쳐진 장이 최대와 최소 사이에서 진동하는 부

분에는 배(antinode)가 나타난다.

▶ 주의: 이 실험은 아래 방법 A에서 기술한 대로, PASCO 마이크로파 감파기 프로브

(Microwave Detector Probe, ME-9319)를 이용했을 때 최상의 결과를 얻을 수 있다.

프로브가 없는 사람은, 방법 B를 사용한다. 단, 이 경우 정상파 패턴에서 λ를 직접

측정할 수 없다.

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순 서

방 법 A

이 실험에서는, 송신기에서 나온 파동을 다시 송신기로 반사시켜 정상파 패턴을 만들어낸다.

패턴 내 마디 사이의 간격을 측정하여 거기에 2를 곱하면, 파동 방사선의 파장을 구할 수

있다.

① 장치들을 그림 3.1과 같이 배치한다.


② 감파기 프로브를 수신기의 측면 커넥터에 연결한다. 마이크로파 신호가 수신기 호

른에 들어가지 않도록 수신기 호른을 송신기 반대쪽으로 돌려놓는다. 미터 수치가

커지도록 수신기 컨트롤을 조정한다.

③ 미터 수치가 최대가 될 때까지 고니오미터 암을 따라 프로브를 움직인다 (1-2cm

이내). 반사경도 미터 수치가 최대가 될 때까지 움직인다 (역시, 1-2cm 이내). 프

로브와 반사경 위치를 조금씩 조절하면서, 미터 수치가 최대가 되는 지점을 찾는다.

④ 이제 미터 수치가 최소가 될 때까지 프로브를 조정하여 정상파의 마디를 찾은 다음,

고니오미터 암 위에 있는 미터 눈금을 이용하여 프로브 위치를 기록한다.

초기 프로브 위치 = __________________________

⑤ 미터계를 보면서, 프로브가 최소 10개 배를 통과하여 다시 마디로 돌아올 때까지

고니오미터를 따라 프로브를 움직인다. 프로브의 새로운 위치와, 통과한 배 수를

기록한다.

통과한 배 = __________________________________

최종 프로브 위치 = __________________________

⑥ 데이터를 이용하여 마이크로파 방사선 파장(wavelength), λ를 계산한다.

λ = ____________________________________________

⑦ 측정을 반복하고 λ를 다시 계산한다.

초기 프로브 위치 = __________________________

통과한 배 = __________________________________

최종 프로브 위치 = __________________________

λ = ____________________________________________

수신기 감파기 프로브 반사경

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문 제 ① 속도 = λv 관계를 이용하여 마이크로파 신호의 주파수(frequency)를 계산한다 (공

기 중 전파 속도는 3x108 m/sec이라고 가정).

(v= 마이크로파 방사선 - 10.525 GHz의 예상 주파수)

방 법 B

① 그림 3.2와 같이 장치를 설치한다. 송신기와 수신기를 최대한 가까이 놓은 상태에

서, 수신기 컨트롤을 조정하여 풀 스케일 미터 수치를 얻도록 한다. 고니오미터 암

을 따라, 수신기를 천천히 송신기 반대방향으로 움직인다. 미터 수치에 어떤 영향

을 미치는가?

마이크로파 호른은 마이크로파 방사선의 완벽한 컬렉터(collector)가 아니다. 대신,

부분 반사경처럼 작용하여, 송신기에서 나온 방사선이 송신기와 수신기 호른 사이

에서 앞뒤로 반사되며 통과할 때마다 증폭이 줄어든다. 단, 송신기와 수신기 다이

오드 사이의 간격이 nλ/2 (n은 정수, λ는 방사선 파장)로 동일할 경우, 수신기 호

른에 들어가는 모든 반사 파장은 최초 송신 파동과의 페이즈(phase)에 있게 된다.

이 경우, 미터 수치는 최대가 된다. (따라서 최대 수치를 보기 위한 인접 지점들 간

의 거리는 λ/2 이다.)


② 고니오미터 암을 따라 수신기를 1-2cm 정도 움직여 미터 수치가 최대가 되도록

한다. 고니오미터 암의 미터 눈금으로 수신기의 위치를 기록한다.

최초 수신기 위치 = __________________________

③ 미터계를 보면서, 수신기를 송신기 반대 방향으로 움직인다. 미터 수치 최소 지점

을 최소 10개 통과하여 다시 미터 수치가 최대가 되는 지점으로 돌아올 때까지 고

니오미터를 따라 프로브를 움직인다. 프로브의 새로운 위치와, 통과한 최소 지점의

수를 기록한다.

통과한 최소 지점 = __________________________

최종 프로브 위치 = __________________________

④ 데이터를 이용하여 마이크로파 방사선 파장(wavelength), λ를 계산한다.

λ = ____________________________________________

⑤ 측정을 반복하고 λ를 다시 계산한다.

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초기 프로브 위치 = __________________________

통과한 최소 지점 = __________________________

최종 프로브 위치 = __________________________

λ = ____________________________________________

문 제 ① 속도 = λv 관계를 이용하여 마이크로파 신호의 주파수(frequency)를 계산한다 (공

기 중 전파 속도는 3x108 m/sec이라고 가정).

(v= 마이크로파 방사선 - 10.525 GHz의 예상 주파수)

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실 험 4: 프리즘을 통한 굴젃


수신기

Ethafoam 프리즘 틀과 스티렌 펠렛

(styrene pellet)

고니오미터

회젂형테이블

각도기

소 개 전자기파는 보통 일직선으로 움직인다. 그러나, 두 개의 서로 다른 매체 사이의 경계면

을 지날 때에는 파동의 이동 방향이 변한다. 이 변화를 굴절이라고 하며, 굴절 법칙(또

는 스넬의 법칙(Snell’s Law))이라고 알려져 있는 수학적 관계를 통해 다음과 같이 요

약할 수 있다.

n1sinθ1 = n2sinθ2

여기에서, θ1는 입사파의 전달 방향과 두 매체의 경계에 수직인 선 사이의 각도이고,

θ2는 굴절된 파동의 해당 각도이다 (그림 4.1 참조). 모든 물질은 굴절률(Index of

Refraction)이라고 하는 숫자 n으로 표시할 수 있으며, 이 숫자는 진공에서의 전자기파

속도와 물질(매체) 내에서의 전자기파 속도의 비율이다. 일반적으로, 경계면 양쪽의 매

체는 굴절률이 서로 다르며, 여기에서는 n1, n2로 표시한다. 이는 “휨”을 유발하는 굴절

률의 차이 (그리고 이것이 적용되는 파동 속도의 차이)이거나, 서로 다른 두 개의 매체

사이의 경계를 지나면서 생기는 파동의 굴절의 차이이다.

이 실험에서는, 굴절 법칙을 이용하여 스티렌 펠렛의 굴절률을 측정한다.

그림 4.1 입사각과 굴절각

순 서 ① 장치를 그림 4.2와 같이 설치한다 .빈 프리즘 틀을 회전시켜, 입사파에 어떤 영향

을 미치는지 살펴본다. 파동을 반사하는가, 굴절하는가, 흡수하는가?

매체 사이의 경계 입사파

굴절파

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② 프리즘 틀에 스티렌 펠렛을 채운다. 계산을 간단히 하기 위해, 송신기에 가장 가까

운 프리즘 앞면을 입사 마이크로파 빔에 수직이 되도록 놓는다.

③ 고니오미터의 이동형 암을 회전시켜, 굴절된 신호가 최대가 되는 각도 θ를 찾는다.

θ = _________________________________________

④ 그림 4.3의 도표를 이용하여 θ1를 구하고, θ 값을 이용하여 θ2를 구한다. (프리즘

각도는 각도기를 이용하여 측정한다.)

θ1 = _________________________________________

θ2 = _________________________________________

그림 4.3 프리즘 굴절의 기하학

⑤ 이 값들을 굴절 법칙에 대입하여, n1,/n2값을 구한다.

n1,/n2 = ______________________________________

⑥ 공기 중 굴절률은 1.00과 같다. 이를 이용하여 스티렌 펠렛에서의 굴절률 n1을 구

한다. ,

▶ 주의: θ는 고니오미터의 각도 눈금에서 직접 읽은 각도이다.

회전형 테이블

Ethafoam 프리즘

굴절된 빔

입사 빔

굴절 경계에 수직

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문 제 ① 그림 4.3의 도표에서, 파동이 프리즘의 첫 번째 면에 (입사각 0°로) 부딪힐 때에는

굴절되지 않는다고 가정했다. 이는 유효한 가정인가?

② 이 기구를 이용하여, 공기 중의 굴절률이 1과 같다는 것을 어떻게 증명할 수 있는

가?

③ 프리즘 틀에 채운 스티렌 펠렛의 굴절률은 스티렌으로 만든 프리즘의 굴절률과 같

을 것인가?

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실 험 5: 편 광


고니오미터

편광판 (1)

수신기

부품홀더

소 개 송신기에서 나오는 마이크로파 방사선은 송신기 다이오드 축을 따라 선형으로 편광된다

(즉, 방사선이 공간을 통해 전파될 때, 그 전기장은 다이오드 축과 일직선 상태를 유지

한다). 송신기 다이오드가 수직으로 정렬되어 있을 경우, 송신된 파동의 전기장도 그림

5.1과 같이 수직으로 편광된다. 그림 5.2처럼 송신기 다이오드에 대해 θ각에 있는 감

파기 다이오드는, 그 축에 일직선인 입사 전기장 부분만을 감지할 수 있다. 이 실험에

서는, 편광 현상에 대해 연구하고, 편광판을 이용하여 마이크로파 방사선의 편광을 바

꾸는 방법을 알아본다.

그림 5.1 수직 편광

그림 5.2 편광된 복사 감지

송신기 다이오드

수직으로 편광된

마이크로파 (전기장) 감지된

부분

감파기 다이오드

수직으로 편광된

마이크로파

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순 서 ① 그림 5.3과 같이 장치를 설치하고, 미터 휘도가 거의 풀 스케일이 되도록 수신기

컨트롤을 조정한다.


② 수신기 뒷면의 나사를 풀고, 수신기를 10도씩 늘리며 회전시킨다. 각 회전 지점에

서 미터 수치를 확인하여 표 5.1에 기록한다.

표 5.1

③ 수신기를 180도 이상까지 계속 회전시키면 미터 수치가 어떻게 되는가?

④ 장치를 그림 5.4와 같이 설치한다. 수신기 각도를 다시 0도로 맞춘다 (호른은 긴

쪽이 수평이 되도록 하여 그림과 같은 방향으로 놓는다).


수신기 각도

미터 수치 수신기 각도

미터 수치 수신기 각도

미터 수치

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⑤ 편광판이 수평에 대해 0, 22.5, 45, 67.5, 90도 일 때의 미터 수치를 기록한다.

⑥ 편광판 슬릿을 분리한다. 호른의 축이 송신기 축에 대해 수직이 되도록 수신기를

돌린 다음, 미터 수치를 기록한다. 그 다음, 편광판 슬릿을 교체하고, 편광판 슬릿

을 수평, 수직, 45도 각도로 놓은 상태에서 미터 수치를 기록한다.

문 제

① 수신기 미터 수치(M)가 그 축을 따라 전기장 분력(component)에 정비례할 경우,

미터계에는 M = Mocosθ 관계가 나타날 것이다 (여기에서 θ는 감파기와 송신기 다

이오드 사이의 각도, Mo는 θ = 0일 때의 미터 수치) (그림 5.2 참조). 실험의 2단계

에서 얻은 데이터를 그래프로 그리고, 그 그래프 위에 Mocosθ 관계를 작도하세요.

두 그래프를 비교하세요.

② 선형으로 편광된 전자기파의 강도는 전기장의 제곱에 정비례한다 (즉, I = kE2). 수

신기의 미터 수치가 입사파의 강도와 정비례한다면, 미터계에는 M = Mocos2θ 관계

가 나타날 것이다. 문제 1에서 그린 그래프에 이 관계를 작도하고, 그래프에 근거

하여 수신기의 미터 수치와 입사파의 편광 및 강도 사이의 관계에 대해 토론해보자.

③ 5단계에서 얻은 데이터를 바탕으로, 편광판은 입사파에 어떤 영향을 미치는가?

④ 실험 6단계의 결과를 설명할 수 있는가? 추가로 삽입한 편광판이 어떻게 감파기의

신호 레벨을 증가시킬 수 있는가? (힌트: 그림 5.2와 같은 도표를 그리고, (1) 송신

기에서 나오는 파동, (2) 편광판을 통과한 후의 파동, (3) 감파기 다이오드에 감지된

분력을 표시한다.)

미터 수치 슬릿 각도

편광판 각도

미터 수치

수평

수직

(수평)

(수직)

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실 험 6: 더블 슬릿(Double-Slit) 갂섭계

필요기구 송신기수신기

부품홀더

슬릿 익스텐더 암(Slit Extender

Arm)

넓은 슬릿 스페이서(Slit Spacer)

고니오미터회젂

금속반사경

좁은 슬릿 스페이서(Slit Spacer)

소 개 실험 3에서, 반대 방향으로 움직이는 두 개의 파동이 어떻게 서로 겹쳐지며 정상파 패

턴을 만들어내는지 보았다. 전자기파가 두 개의 슬릿 구경을 지날 때에도 다소 비슷한

현상이 일어나는데, 파동이 두 개의 파동으로 회절되며 구경을 지나 서로 겹쳐친다. 정

상파 패턴과 마찬가지로, 최대점이 형성되는 부분과 최소점이 형성되는 부분이 존재한

다.

더블 슬릿 구경의 경우, 구경을 지난 파동의 강도가 감지 각도에 따라 달라진다. 거리

d 만큼 떨어져 있는 두 개의 얇은 슬릿의 경우, 최대점은 d sinθ = nλ가 되는 각도에

서 찾을 수 있다 (여기에서 θ= 감지 각도, λ = 입사 방사선의 파장, n은 정수 이다)

(그림 6.1 참조). 더블 슬릿 회절 패턴의 특징에 대한 더 자세한 내용은 교과서를 참조

할 것.

그림 6.1 더블 슬릿 간섭

순 서 ① 장치를 그림 6.2와 같이 설치한다. 슬릿 익스텐더 암과 반사경 두 개, 그리고 좁은

슬릿 스페이서를 이용하여 더블 슬릿을 만든다 (슬릿 너비는 약 1.5cm 정도가 좋

다). 슬릿을 정확히 배치하고, 가능한 대칭형이 되도록 한다.

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② 송신기와 수신기를 수직 편광(0°)에 맞추고, 수신기 컨트롤을 조정하여 가능한 최

소 증폭에서 눈금 수치가 풀 스케일이 되도록 한다.

③ (수신기가 장착된) 회전형 고니오미터 암을 축을 중심으로 천천히 회전시키면서,

미터 수치를 관찰한다.

④ 수신기가 송신기를 똑바로 마주보도록 고니오미터를 다시 놓은 다음, 수신기 컨트

롤을 조정하여 미터 수치가 1.0이 되도록 한다. 각 θ를 표 6.1에 나와 있는 각 값

들에 맞추고, 각 경우의 미터 수치를 표에 기록한다. (각도 설정값 사이에 미터 수

치가 크게 변하는 경우, 그 중간에 있는 각도에서 신호 레벨을 조사해보면 도움이

될 수 있다.)

표 6.1

⑤ 슬릿 너비를 동일하게 유지하면서, 좁은 슬릿 스페이서 대신 넓은 슬릿 스페이서를

사용하여 슬릿 간 간격에 변화를 준다. 넓은 슬릿 스페이서는 좁은 슬릿 스페이서

보다 50% 넓으므로 (90mm vs. 60mm), 송신기를 뒤로 50% 정도 움직여 슬릿에서

의 마이크로파 방사선의 상대 강도가 동일해지도록 한다. 측정을 다시 반복한다.

(다른 슬릿 간격으로 실험해보는 것도 좋다.)

미터 수치 미터 수치 각도 각도

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문 제 ① 데이터를 통해, 미터 수치 vs. θ 그래프를 작도하세요. 간섭 패턴의 최대점, 최소

점이 생기는 각도를 확인하세요.

② 표준 투 슬릿 (two-slit) 회절 패턴에서 최대점, 최소점이 생길 것으로 예상되는 각

도를 계산하세요. 이 때, 최대점은 d sinθ = nλ인 지점, 최소점은 d sinθ = nλ/2인

지점마다 생긴다 (이 방정식의 유도 과정에 대해서는 교과서를 참조하고, 데이터는

실험 3에서 측정한 파장을 이용하세요). 이 계산 결과와 직접 관찰한 최대점, 최소

점의 위치를 비교해보자. 어떤 차이를 설명할 수 있는가? (공식 전개 시 어떤 가정

을 했으며, 어느 정도까지 실험에 부합하는가?)

③ 높은 순의 최대점에서 강도가 상대적으로 감소하는 현상을 설명할 수 있는가? 각

슬릿에서 생성된 싱글 슬릿(single-slit) 회절 패턴을 생각해보자. 이 싱글 슬릿 패

턴은 전체 간섭 패턴에 어떤 영향을 미치는가?

▶ 주의:

① 10.525 GHz 에서의 파장은 2.85 m이다.

② 실험자의 위치가 결과에 영향을 미칠 수도 있다.

Documents

마이크로파 실험장치 설명서 - curie.daegu.ac.krcurie.daegu.ac.kr/pub/2학년 2학기/microwave optics(1-6).pdf · 전통적인 광학 실험의 작은 스케일로 인해