광 소자(광학) 2015. 09

광 학 빛의 성질 파­입자 이중성(wave ­ particle duality) 입자성과 파동성을 나타내는 현상? 광파 (light wave) 광파는 전자파의 일종 광파(전자파)는 서로 직교하는 전계(電界)와 자계(磁界)로 구성 정현파로 진동하는 전계와 자계에 수직한 축 방향을 따라 진행

빛의 성질 Euclid (~300 BC) , Optica 빛은 직선으로 운동한다고 추측 빛의 반사 법칙을 수학적으로 기술 Lucretius (55 BC) On the nature of the Universe 그리스 철학의 원자롞의 영향을 받아 빛이 작은 입자로 구성되었다고 생각 Ptolemy (~100 AD), Optics 빛의 굴절에 대해 기술 Descartes (1637) 빛의 굴절에 대핚 이롞을 제시. 다른 매질에서 빛의 속도가 다르기 때문에 일어나는 현상이라고 생각.

빛의 성질 입자설 1675 Newton, Hypothesis of Light(빛의 성질에 대한 가설) 이유 : 빛의 직진성은 파동과 부합되지 않는다고 생각. - 그러나 빛의 회절 현상을 설명하면서, 빛의 입자가 부근에 작은 파동을 형성한다고 가정하였음. 파동설 1660 Hooke, 1678 Huygens 빛이 음파처럼 간섭을 일으킬 것으로 예측 1800 Young 빛의 간섭 현상 관측 1746 Euler 빛의 회절 현상을 파동성으로 설명 그러나, 파동이라면 매질은 무엇인지? – 에테르 : 가상의 매질 1887 Michelson and Morley – 에테르의 존재 관측 실패 1920 아인슈타인 자신도 에테르의 존재를 필요한 것으로 생각하였지만, 결국 에테르의 존재 가설은 불필요한 것으로 결론. 빛의 입자설에 부합하는 새로운 현상 – 광전 효과

파동광학 wave optics 빛도 역학적 파동과 마찬가지로 간섭 현상을 나타낸다. 보강 간섭 빛도 역학적 파동과 마찬가지로 간섭 현상을 나타낸다. 보강 간섭 constructive interference 상쇄 간섭 destructive interference 회절 Byeong June MIN에 의해 창작된 Physics Lectures 은(는) 크리에이티브 커먼즈 저작자표시-비영리-동일조건변경허락 3.0 Unported 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다. 빛의 간섭 현상을 관측하기 위한 조건 광원에서 방출되는 빛들은 일정한 위상을 유지하여야 한다. (coherence) 빛은 동일한 파장의 빛이어야 한다. (단색광) 레이저는 이 두 조건을 모두 만족시키는 광원이다.

광의 성질 : 회절 간섭

영의 이중 슬릿 실험 Young’s Double-Slit Experiment Byeong June MIN에 의해 창작된 Physics Lectures 은(는) 크리에이티브 커먼즈 저작자표시-비영리-동일조건변경허락 3.0 Unported 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.

광의 성질: 산란

광의 성질 : 반사와 굴절 광은 동일한 물질내를 통과하는 경우 직진한다. 광을 꺽는 방법 = 굴절 또는 반사 공기 유리 평행광 액체없는 공기 투 광 부 수 액체있음 파이프 광은 동일한 물질내를 통과하는 경우 직진한다. 광을 꺽는 방법 = 굴절 또는 반사 공기 유리 평행광 점광원 집점（F） 초점（F） 광은 반사율 정도에 의해 꺾인다. 투명체라도 입사각이 크면 반사된다. 연마금속 공기 전반사 거울의 원리 입사각 유리 굴절 광 화이버의 Bending Loss원리 화이버 도파의 원리 광 화이버 내부를 전반사 반복하면서 진행한다. 화이버를 구부리면 광도 구 부러진다. 화이버를 지나치게 구부리 면 입사각이 적어지고 굴절로 광이 외 부로 빠져나가 도파효율이 나빠진다. 1-16

광의 성질 : 파장분산 및 편광 인간의 눈으로는 가시광만 볼 수 있음. 원적외선 (3000nm이상)은 열을 전파한다. 자외선은 인간의 눈과 피부에 유해하다. UV -C UV -B UV -A 보 남 파 초 노주 빨 λ（nm） 100 200 300 400 780 광 광은 횡파이므로 편광판 (편광격자)에 의해 편광이 가능하다. 편광자 검광자 1-17

광의 성질 : 파장 및 편광 빛은 전기장과 자기장의 주기적인 진동에 의한 파동이다. 파동이 한 방향으로만 진동할 때 이 파동은 평면 편광 되었다고 한다. 그리고 이때 전기장의 진동방향을 편광의 방향이라고 한다.

반사에 의한 편광 without polarizer with polarizer Byeong June MIN에 의해 창작된 Physics Lectures 은(는) 크리에이티브 커먼즈 저작자표시-비영리-동일조건변경허락 3.0 Unported 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다. without polarizer with polarizer

반사에 의한 편광 without polarizer Byeong June MIN에 의해 창작된 Physics Lectures 은(는) 크리에이티브 커먼즈 저작자표시-비영리-동일조건변경허락 3.0 Unported 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.

반사에 의한 편광 with polarizer Byeong June MIN에 의해 창작된 Physics Lectures 은(는) 크리에이티브 커먼즈 저작자표시-비영리-동일조건변경허락 3.0 Unported 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.

빛의 방출과 흡수

파장과 진동수 광(光) 전자파의 일부 광 파장과 진동수의 관계 λ : 파장, ν : 진동수, c : 빛의 속도 매질에서 전자파의 속도 n: 굴절율

광의 영역 광 검출 대상 가시광선(visible light) 적외선 (赤外線; infrared; IR) 가시광, 적외선, 자외선을 검출 가시광선(visible light) 파장이 약 390[nm]~780[nm] 사이인 전자파 적외선 (赤外線; infrared; IR) 가시광선보다 긴 0.78[um]~1000[um] 파장의 전자파 0.78[um]~2.5[um]: 근적외선; NIR) 2.5[m]~50[um] : 적외선 50[um]~1000[um]:원적외선, FIR) 또는 서브밀리(subm)파 자외선 (ultraviolet; UV) 가시광선보다 단파장의 전자파(1~400[nm])

광의 발생 및 검출

광자에너지 전자볼트(eV) : 전위차가 1V 일 때 가속되는 1개 전자에 의해 얻게되는 운동에너지

전자파 파장과 파수 : 고정된 시간에서 파동의 진폭은 공간에서 λ의 거리를 가지고 반복된다. 이 거리를 파장 (wavelength) 라고 하며 이의 역수를 파수 (wave number) 라고 한다. 파동의 전계는 다음의 식과 같다. 파의 진행

전자파 전파상수 k (propagation factor) :

전자파 파장 λ과 전파상수 k의 관계

예제 > 자유공간에서의 파장이 0.82 μm 일 때, 공기와 유리에서 전파상수를 구하라. (유리의 굴절율은 1.5)

전자파 광의 전력과 진행파의 감쇠 광의 전력 : 광의 세기(intensity)에 비례하며, 광의 세기는 광휘도 (irradiance), 즉 광의 전력 밀도 (watt/m2) 에 비례한다. 진행파의 감쇠 : 파동이 진행하면서 에너지를 잃는 경우, 파동함수는 무-감쇠 파동을 나타내는 초기 함수에 감쇠인자를 곱하여 표현한다. 감쇠 인자(factor)

전자파의 데시벨 감쇠 진행파의 감쇠 : 진행파의 전력은 전계의 제곱에 비례하여 감쇠한다. 즉 감쇠인자 에 비례하여 감쇠한다. 즉 감쇠인자 에 비례하여 감쇠한다. 전력 감쇠를 데시벨로 표현하면 다음과 같다. 입출력 전력의 비 전력변동 ( )

예제> 매질의 손실이 0.2 dB/km 일 때 감쇠계수를 구하라.

데시벨로 계산된 전력 신호의 크기를 데시벨(decibel : dB)로 표현 전력, 전압, 전류의 전송 레벨을 로그 척도로 표현 넓은 범위, 상대비나 변화량을 표시하기에 편리 상대적인 레벨의 표시 : dB 절대적인 레벨의 표시 : dBm, dBW, BmV, dBV

상대 레벨의 표시 : dB 전력레벨 전압레벨 전류레벨

Decibel 눈금

0dB, +3dB, 회로이득 0dB이면 이득도 없고 손실도 없다. 3dB 이득 : +3dB 씩 커질 때마다 전력이 2배로, 전압이 √2 배로 커진다. 회로이득(Gain) :

-3dB, 회로손실 3dB 손실 : -3dB 씩 작아질 때마다 전력이 1/2배로, 전압이 1/√2 배로 줄어든다. 회로손실(Loss) :

다단 시스템에서의 dB의 이용 전체 시스템의 이득은 각 단의 이득을 더한 것과 같다. 총 이득은

절대 레벨의 표시 : dBW, dBmV, dBV 절대 레벨의 표시 dB 뒤에 기준 레벨의 단위를 붙여서 나타낸다. dBW : 1 W를 기준으로 한 전력 Po 의 절대레벨 dBmV : 1mV를 기준으로 한 전압 Vo의 절대레벨 dBV : 1V를 기준으로 한 전압 Vo의 절대레벨

광 펄스 비행 시간 (Time of flight)의 측정 실험