본문내용
1. 편광의 개념과 원리
1.1. 전자기파의 성질
전자기파의 성질은 다음과 같다.
전자기파는 전기장 E와 자기장 B가 서로 수직으로 진동하며 전자기파의 진행 방향에도 수직으로 진행하는 횡파의 형태를 띠고 있다. 전기장과 자기장의 세기는 서로 정비례하며, 전자기파의 속력은 매질에 따라 달라지지만 진공에서는 항상 일정한 속도 c (약 3×10^8 m/s)로 진행한다. 전자기파는 매질을 통과할 때 반사, 굴절, 간섭, 회절 등의 현상을 보이며, 이러한 성질들은 전자기파의 파동성을 보여준다. 또한 전자기파는 양자화된 광자로 구성되어 있어 입자성도 가지고 있다. 이처럼 전자기파는 파동과 입자의 이중성을 가지는 것이 특징이다. 전자기파는 진동수와 파장에 따라 전자기스펙트럼으로 분류되며, 가시광선, 적외선, 자외선 등 다양한 영역의 전자기파가 존재한다.
1.2. 편광의 종류
편광의 종류는 선편광, 원편광, 타원편광으로 나눌 수 있다"".
선편광된 빛은 전기장 벡터가 시간에 따라 항상 직선 상에 있는 형태이다"". 선편광 빛은 전기장과 자기장의 진동이 특정 방향으로만 일어난다"".
원편광된 빛은 전기장 벡터가 시간에 따라 회전하는 형태이다"". 원편광 빛에서는 전기장과 자기장의 진동이 상호 직각 방향으로 일어나며 크기가 동일하다"".
타원편광된 빛은 전기장 벡터가 시간에 따라 타원을 그리며 회전하는 형태이다"". 타원편광 빛은 선편광과 원편광의 중간 형태로, 전기장과 자기장의 진동이 상호 직각 방향으로 일어나지만 크기가 다르다"".
1.3. 편광자와 Malus 법칙
편광자는 전자기파를 원하는 단일 편광 상태(일반적으로 선편광)로 전환해 주는 광학 소자이다. 편광되지 않은 전자기파가 편광자를 통과하면 투과된 전자기파는 선편광된 상태가 되며, 세기는 입사 세기의 절반이 된다. 이러한 편광자의 특성은 Malus 법칙으로 설명된다.
Malus 법칙에 따르면, 두 개의 편광자가 θ의 각도로 이루어져 있을 때 첫 번째 편광자를 통과하여 선편광된 전자기파가 두 번째 편광자를 통과하면 투과된 빛의 세기 I는 다음과 같이 표현된다.
I = I0 cos2θ
여기서 I0는 첫 번째 편광자를 통과한 빛의 세기이다. 이 법칙을 이용하여 빛의 편광 방향 또는 정도를 확인하기 위해 사용하는 편광자를 분석자라고도 한다. 즉, Malus 법칙은 편광된 빛이 추가적인 편광자를 통과할 때 그 세기 변화를 정량적으로 설명하는 법칙이다.
따라서 편광자를 통과한 빛은 단일 편광 상태가 되며, Malus 법칙은 이러한 선편광된 빛의 세기 변화를 잘 설명한다고 볼 수 있다.
2. 복굴절과 위상지연판
2.1. 복굴절 현상
복굴절 현상은 빛이 구조적 이방성을 가지는 물질을 통과할 때 편광 성분이 분리되어 나오는 현상이다. 일반적으로 등방성 물질의 경우 빛이 진행방향과 무관하게 균일한 속력으로 진행하지만, 구조적 이방성을 가지는 물질의 경우 진행 방향에 따라 굴절률이 달라져 편광된 빛이 서로 다른 속력으로 진행하게 된다.
예를 들어 석영 결정과 같은 복굴절 물질의 경우, 결정 구조의 비대칭성으로 인해 빛이 진행하는 방향에 따라 굴절률이 달라지게 된다. 즉, 편광 성분에 따라 각기 다른 속력으로 진행하여 서로 다른 진행경로를 가지게 된다. 이렇게 분리된 두 개의 편광 광선을 보통 '보통광(ordinary ray)'과 'extraordinary광(extraordinary ray)'이라고 부른다.
따라서 복굴절 물질을 통과한 빛은 편광 성분이 분리되어 두 개의 광선으로 나뉘어 관찰된다. 이 두 광선 사이의 진행 경로 차이는 물질의 복굴절률 차이에 비례하며, 이러한 복굴절 현상은 편광 광학 기기 개발에 널리 활용된다.
2.2. 위상지연판의 원리
위상지연판은 복굴절 현상을 이용하여 전기장 E의 수직 성분 Ex, Ey에 위상차를 발생시켜 편광 상태를 변화시키는 광학 소자이다.
복굴절이란 빛이 구조적 이방성을 가지는 물질을 통과할 때, 편광 성분이 분리되어 나오는 현상이다. 구조적 이방성을 가지는 물질은 방향에 따라 굴절률이 달라 다른 속력을 가지고 진행하여 편광 성분에 따라 분리되어 관찰된다.
위상지연판은 이러한 복굴절 현상을 이용하여 빠른 속력의 편광 성분과 느린 속력의 편광 성분 간 위상차를 발생시킨다. 위상차가 λ/2가 되도록 한 것은 λ/2 위상지연판이라 하고, 위상차가 λ/4가 되도록 한 것은 λ/4 위상지연판이라 한다.
λ/2 위상지연판은 빛의 편광 방향을 2θ만큼 회전시킬 수 있다. 선편광된 빛이 λ/2 위상지연판을 통과하면 편광 방향이 회전하게 되므로, 이 때 λ/2 위상지연판은 편광자의 역할을 한다고 할 수 있다. 따라서 빛의 세기는 Malus 법칙을 만족한다.
λ/4 위상지연판을 통과한 선편광된 빛은 원편광된다. 이는 빠른 속력과 느린 속력의 편광 성분에 π/2의 위상차가 발생하여 원형으로 결합되기 때문이다.
따라서 위상지연판은 편광 상태를 능동적으로 제어할 수 있는 광학 소자이며, 광학기기 및 통신 분야에서 중요한 역할을 한다.
2.3. λ/2 위상지연판과 λ/4 위상지연판
위상지연판이라 함은 복굴절 현상을 이용하여 전기장 E의 수직 성분 Ex, Ey에 위상차를 발생시켜 편광 상태를 변화시키는 광학 소자이다. 빠른 속력의 편광 성분과 느린 속력의 편광 성분 간 위상차가 λ/2가 되도록 한 것은 λ/2 위상지연판, 위상차가 λ/4가 되도록 한 것은 λ/4 위상지연판이라 한다.
λ/2 위상지연판은 빛의 편광 방향을 회전시킬 수 있다. θ의 각도로 선편광된 빛이 λ/2 위상지연판을 통과하면 편광 방향은 2θ만큼 회전한다. 이 때, λ/2 위상지연판은 편광자의 역할을 한다고 할 수 있으므로, λ/2 위상...
