본문내용
1. 빛의 속력 측정
1.1. 실험 목적
실험 목적은 광섬유와 오실로스코프를 이용하여 빛의 속력을 측정하는 것이다. 구체적으로는 850nm 파장의 LED 광원을 이용하여 두 갈래의 빛 신호를 발생시키고, 한 신호는 곧바로 오실로스코프에, 다른 신호는 주어진 길이의 광섬유를 지나 오실로스코프에 도달하게 한다. 이렇게 하면 두 빛의 신호가 오실로스코프 화면에 시간 차이를 가지고 나타나게 되는데, 이 시간차와 광섬유를 진행한 거리를 이용하여 광섬유 내를 진행하는 빛의 속력을 측정한다. 나아가 광섬유의 굴절률을 이용하여 진공에서의 빛의 속력을 알아내는 것이 이 실험의 최종 목적이다.
1.2. 실험 이론
1.2.1. 빛의 굴절
빛의 굴절은 한 매질에서 진행 중인 빛이 다른 매질과의 경계면에 닿으면 일부는 매질의 경계면에서 반사되고 나머지는 매질을 투과하여 진행하게 되는데, 이때 매질을 투과하는 빛이 경계면에서 꺾여 진행하는 현상을 말한다.
매질을 투과하는 빛의 굴절각은 경계면을 이루는 두 매질의 성질과 광선의 입사각에 따라 결정되며, 다음과 같은 관계식으로 표현된다.
{sin θ_2} / {sin θ_1} = {v_2} / {v_1}
여기서 θ_1은 입사각, θ_2는 굴절각이며, v_1과 v_2는 각각 첫 번째 매질과 두 번째 매질에서의 빛의 속력이다.
이 식으로부터 빛의 속력이 큰 매질에서 작은 매질로 진행할 때 광선은 법선 쪽으로 꺾여 굴절각이 입사각보다 작게 된다는 것을 알 수 있다.
매질 내에서의 빛의 속력은 매질의 종류에 따라 다르며, 진공에서의 속력보다 느리다. 이는 매질 내에서 빛이 진행하는 원리가 매질을 구성하는 원자에 빛이 흡수되고 이 원자가 빛을 복사하는 과정이 이웃하는 원자들에게 전달되어 가는 과정에서 시간이 지연되기 때문이다.
이때 매질 내에서의 빛의 속력에 대한 진공에서의 빛의 속력의 비를 매질의 굴절률 n이라고 정의한다. 즉, n = c/v, 여기서 c는 진공 중 빛의 속력이다.
이 관계식을 이용하면 스넬의 굴절 법칙으로 표현할 수 있는데, n_1 sin θ_1 = n_2 sin θ_2의 관계가 성립한다. 이를 통해 굴절률이 다른 두 매질 사이에서 빛의 진행 경로를 예측할 수 있다.
1.2.2. 내부 전반사
내부 전반사는 굴절률이 큰 매질로부터 작은 매질로 빛이 진행할 때 나타나는 현상이다. 매질의 경계면에서 빛이 입사각이 점차 증가하면 특정 임계각 이상이 되면 빛이 완전히 반사되는 현상이 일어난다. 이때 매질 내부로 빛이 투과되지 않고 전반사가 일어나게 된다.
내부 전반사가 일어나는 임계각은 스넬의 굴절 법칙을 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
n1 sin θ1c = n2 sin 90° = n2
여기서 n1은 굴절률이 큰 매질의 굴절률, n2는 굴절률이 작은 매질의 굴절률, θ1c는 임계각을 나타낸다.
이를 통해 내부 전반사가 일어나는 임계각은 sinθ1c = n2/n1로 표현된다. 따라서 매질 1의 굴절률이 클수록, 매질 2의 굴절률이 작을수록 임계각은 작아진다.
내부...
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