빛의 편광, 브루스터 법칙, 광세기 대 거리 역제곱 법칙(광학4)

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1 빛의 편광, 브루스터 법칙, 광세기 대 거리 역제곱 법칙(광학4)
기초전자물리학실험2 빛의 편광, 브루스터 법칙, 광세기 대 거리 역제곱 법칙(광학4) CH13 , 이름 최규범 , 이름 차용환 , 이름 진경택 , 이름 조정옥

2 1) 2) 3) 4) 5) 실험의 목표 빛의 편광을 설명할 수 있다. 말러스의 법칙을 실험으로 보여줄 수 있다.
브루스터의 법칙을 설명할 수 있다. 4) 브루스터 각을 측정할 수 있다. 5) 점광원에서 나오는 빛의 세기는 거리의 역제곱의 관계가 있음을 보여줄 수 있다.

3 A. 편광 또는 편파(Polarization)
==전자기파의 진행 지면에 수직인 진행방향에서 바라본 편광 되지 않은 빛. 전기장 벡터는 진행 방향에 수직인 어느 방향으로도 같은 확률을 갖고 진동할 수 있다. 속도 로 축 방향으로 진행하는 전자기파. 전기장은 평면에서 진동하고, 자기장은 평면에서 진동한다. 수직 방향으로 진동하는 전기장 벡터를 갖는 선형 편광 된 빛

4 A. 편광 또는 편파(Polarization)
편광 : 자연광은 진행방향에 대해서 직각인 모든 방향으로 진동을 하는데, 이와는 달리 한쪽 방향으로만 진동하는 빛       ① 빛이 편광판을 통과할 때, 복굴절이 일어날 때, 투명한 매질의 표면에서 반사 될 때 일어남      ② 편광 현상은 빛이 횡파임을 증명하는 증거 횡파: 매질의 진동방향과 파의 이동방향이 수직인 파

5 B. 말러스(Malus) 법칙 편광기 편광기을 이용하여, 자연광을 한 방향으로 편광 된 빛을 얻을 수 있다.
편광 방향 편광되지 않은 빛 편광기 수직 편광된 빛 편광기을 이용하여, 자연광을 한 방향으로 편광 된 빛을 얻을 수 있다. 편광기 하나를 더 이용하면, 편광된 빛의 방향을 바꿀 수 있다.

6 B. 말러스(Malus) 법칙 ==말러스의 법칙 성분은 편광되고 성분만 남는다. 편광 된 빛 파의 진폭이 배 감소
성분은 편광되고 성분만 남는다. 편광 된 빛 파의 진폭이 배 감소 빛의 세기는 파의 진폭의 제곱에 비례하므로

7 ==단굴절과 복굴절(Briefringent)
C. 광 지연 ==단굴절과 복굴절(Briefringent) 단굴절 이란 진행파가 파장에 비해 원활한 경계면을 넘어 원래의 매질과 다른 매질 중에 진행하는 경우 또는 동일 매질이지만 온도차 등에 의해 파의 속도가 변화할 때에 진행 방향이 바뀌는 현상을 말한다. 등방성 매질에서 비등방성 매질로 들어가는 경우에는 일반적으로 파면이 둘로 나뉘어져 복굴절의 현상을 나타낸다. 복굴절 이란빛의 편광방향에 대한 굴절률이 다른 경우, 입사한 빛의 파장이 같더라도 굴절률이 달라 빛이 갈라지는 현상을 말한다. 복굴절(複屈折, Birefringence)은 방해석이나 몇몇 보석류 같이 광학적으로 이방성인 매질내에서 빛의 편광방향에 대한 굴절률이 다른 경우, 입사한 빛의 파장이 같더라도 굴절률이 달라 빛이 갈라지는 현상을 말한다. 이 현상은 매질의 구조가 이방성인 경우에만 나타난다. 매질이 하나의 이방성축(광축)을 가질 때, 복굴절은 편광에 대해 서로 다른 두 방향의 굴절률 때문에 나타난다. 대부분의 비결정 물질들(유리나 액체 등)은 등방성(optically isotropic: 모든 진행 방향으로 굴절률이 같음)이다. • 일부 크리스탈이 비등방성이다. ex) 비등방성물질: 방해석, 석영, 질산나트륨, 아황산나트륨, 염화아연 , 황화아연 (결정성 물질) ex) 등방성 물질: 비결정성 고분자나 유리, 액체, 기체

8 C. 광 지연 ==복굴절(Briefringent) 복굴절이 일어나는 이유는 비등방성 물질(결정)일경우 분자들이 편광되지
않은 빛 방해석 이상광선 정상광선 정상적인 굴절의 법칙을 따르는 빛을 정상광선(o-광선 : ordinary ray), 비 정상적인 굴절을 하는 빛을 비정상광선(e-광선 : extraodinary ray)이라한다. 물질 속에서 빛이 전파될 때 빛의 전기장과 물질속의 전자가 상호작용을 하게된다. 한 지점에서의 빛의 전기장은 진동을 하므로 전자도 덩달아서 같은 진동수로 진동을 하여 이것이 새로운 전기장의 진동을 유발한다.  무수히 많은 원자, 분자의 전자가 내는 빛과 원래의 빛이 합성되어 물질속에서는 새로운 속도, 새로운 진폭으로 빛이 전파되는 것이다. 따라서 물질속을 진행하는 빛의 속도 등의 특성은 물질속에 있는 전자의 결합상태에 따라 달라진다. 만일 그 물질이 결정을 이루고 있으면서, 그 결정이 대칭의 모양을 하고 있지 않다면 빛의 진행방향, 편광상태에 따라 전파속도가 다를 것이다. 이러한 물질을 복굴절(birefringent)체라 한다. 복굴절이 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 2개의 횡방향 성분 사이에 상대적인 위상 지연이 생기는 현상을 광 지연이라고 한다. 광통신에서 복굴절이 심하게 일어나면, 신호 손실이 크므로 비등방성 물질을 광통신 선으로 사용한다.

9 C. 광 지연 z성분 벡터는 느리게 통과 위상차가 생긴다 X성분 벡터는 빠르게 통과

10 D.광 탄성 사이버 실험실 유리나 플라스틱과 같은 물질은 변형력을 받으면 복굴절이 일어 난다.
플라스틱에 변형력이 가해지면 가장 큰 변형력을 받은 영역이 복굴절이 나타 나며 플라스틱을 지나는 빛의 편광이 변한다. 이때 밝은 띠를 나타내는 곳은 가장 큰 변형력을 받는 곳에서 생기게 된다 일종의 투명한 비결정 재료는 응력을 받지 않은 상태에서는 광학적으로 등방성이나 응력을 받게 되면 결정체와 유사하게 광학적으로 이방성으로 변화된다. 이러한 현상을 이중굴절 또는 복굴절이라 하며 하중이 가해진 상태에서는 복굴절이 그대로 유지되지만 하중이 제거되면 복굴절 현상도 사라지게 된다. 광탄성은 투명한 재료가 응력이나 변형율의 변화되는 정도에 따라 발생되는 복굴절 현상을 이용한다. 주응력 성분 중에서 한 성분이 0일 경우 즉 일 때는 2차원 또는 평면응력상태가 되며 0이 아닌 평면 주응력 성분은 가 된다. 복굴절 현상에 의한 응력-광법칙에 따르면 주응력 차이는 다음의 식과 같은 관계를 갖는다. 무늬가 보이지 않음 무늬가 보임 사이버 실험실

11 E.광 활성 == 광활성: 빛이 어떤 물체를 통과하면서 편광이 돌아가는 현상을 말하며 이러한 특성을 가지는 것을 광활성체라고 한다.

12 우회전성(dextrorotatory)
좌회전성(levorotatory) ==고유 광회전도 광학활성물질의 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. 고유 광회전도 = []T = 길이(m) x 농도(g/ml) 관측 광회전도(각도)

13 E.광 활성 ==광활성의 응용 (LCD) 빛이 투과 되지 않음 빛이 투과 됨 전압이 걸려 광활성이 되지 않은 액정
전압이 걸리지 않아 광활성이 된 액정

14 E.광 활성

15 F.브루스터 법칙 및 브루스터 각 평면에 평행 평면에 수직 입사광선, 반사광선, 굴절광선은 한 평면에 있다.

16 F.브루스터 법칙 및 부르스터 각 ==스넬의 법칙을 이용하여 부르스터각 를 구하기 과 관계 이용
모든 광선(입사광선, 굴절광선, 반사광선)은 법선과 같은 평면에 있다 평면에 수직인 성분 평면에 평행인 성분

17 F.브루스터 법칙 및 부르스터 각 ==브루스터 법칙의 응용 (유리 자르기) 유리 반사광선 없음 편광된 레이저 광선
브루스터 법칙을 이용하면 유리를 안전하게 또 손실없이 자를 수 있다.

18 G. 광세기 대 거리 역제곱 법칙 4A 9A A 기준위치에서 빛의 세기 임의의 점에서 빛의 세기

19 실험 방법 소개 A B C D 진경택 E F G 조정옥

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

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

22 적색 Laser광의 편광된 정도를 편광기 1개로 측정하여 본다. 편광기를 편광축을 돌려가면서 투과한 빛의 세기를 조사한다.
편광기 2개를 손으로 들고 겹쳐서 이들 편광기를 통해서 형광등 불빛을 눈으로 관찰한다. 실험자 가까이 있는 편광기를 돌려가면서 통과한 불빛의 세기를 관찰한다. 적색 Laser광의 편광된 정도를 편광기 1개로 측정하여 본다. 편광기를 편광축을 돌려가면서 투과한 빛의 세기를 조사한다. 그림 13.2 말러스 법칙 측정 실험 구성도를 준비한다. 광학 레일의 왼쪽부터 적색 레이저 광원, 제1 편광기(Polarizer), 제2 편광기(Analyzer), 광센서를 순서대로 배치하라. 광원 쪽의 제1 편광기는 편광축을 수직 기준으로 ‘0도’로 설정한다. 광센서 쪽의 제2 편광기의 편광축, 즉 편광축 사이각 ∅을 ‘0도~360도’로 바꾸면서 광센서에 들어오는 빛의 세기를 측정한다. 그림 13.3에 편광 실험 구성 사진을 제시하였다.

23 그림 13.2 말러스 법칙 측정 실험 구성도 Laser Diode Light Source Rotational Table
Optical Rail LabPro PC w. Logger Pro 3 Polarizer 1 Polarizer 2 (Analyzer) Optical Sensor 그림 말러스 법칙 측정 실험 구성도

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25 편광기 2개를 90도 어긋나게 겹치고 그 사이에 투명한 플라스틱 통의 뚜껑을 삽입한 채로 형광등 불빛을 본다.
B. 광 지연(Optical Retardation) 그림 13.4 광 지연 및 광 탄성 실험 구성도를 준비한다. 제1 편광기의 편광축은 수직으로, 제2 편광기 편광축은 수평, 즉 90도로 하여 투과광이 전혀 나오지 못하게 한다. 이 상태에서 두 편광기 사이에 광 지연기(Optical Retarder)로 투명한 플라스틱 통의 뚜껑을 삽입하여 광 지연을 관찰한다. 편광기 2개를 90도 어긋나게 겹치고 그 사이에 투명한 플라스틱 통의 뚜껑을 삽입한 채로 형광등 불빛을 본다.

26 그림 13.4 광 지연 및 광 탄성 실험 구성도 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 광 지연 및 광 탄성 실험 구성도

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29 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.

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32 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. 제2 편광기를 회전시키면서 빛의 세기가 최소 또는 완전히 못 통과하는 편광축의 회전각, 즉 광 활성각 ∅[도]을 측정한다. 이때 기준 각도는 수평 즉 90도이다. 단위 길이당 회전각 β[도/mm]는?

33 그림 13.5 광 활성 실험 구성도 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 광 활성 실험 구성도

34 E. LCD의 편광 특성 1) LCD 모니터의 빛을 편광기를 통하여 편광축을 돌려가면서 관찰하라

35 F. 브루스터 법칙 및 브루스터 각 측정 실험 1) 브루스터 법칙 및 브루스터 각 측정 실험 구성도를 준비한다. 광학레일 위에 왼쪽부터 적색 레이저 광원, 제1편광기, 제2편광기, D형 아크릴 샘플(렌즈 받침대 위에 설치), light sensor arm, light sensor를 순서대로 설치한다. 2) D형 렌즈의 입사각을 조정하면서 light sensor에 연결된 arm을 회전시켜서 D형 렌즈에 반사된 빛이 sensor에 들어가도록 맞추고 빛이 소멸되는 즉 브루스터 법칙을 확인한다. 이때의 입사각, 즉 브루스터 각Ɵ을 측정한다. 3) 브루스터 입사각에서 편광을 TE(편광이 입사면 직각)로 바꾸고, 즉 제2편광기의 편광축을 ‘0도’로 바꾸어 반사가 생기는 것을 확인한다.

36 그림 13.6 브루스터 법칙 및 브루스터 각 측정 실험 구성도. TM 편광(수평편광) 입사
D-Lens Laser Diode Light Source Rotational Table Optical Rail LabPro PC w. Logger Pro 3 Polarizer1 Polarizer 2 (Analyzer) TM Polarization Optical Sensor 그림 브루스터 법칙 및 브루스터 각 측정 실험 구성도. TM 편광(수평편광) 입사

37 G. 광세기 대 거리 역제곱 법칙 실험 광세기 대 거리 역제곱 법칙 실험 구성도를 준비한다. 휴대형 손전등의 집광용 렌즈를 제거하여 점광원의 흉내를 낸다. 이 광원을 광학레일의 왼쪽 끝에 위치시키고, light sensor를 LabPro를 통해 PC에 연결한다. 광원과 Light sensor 사이의 ‘거리 r[m]’(가로축)를 바꾸어 가면서 ‘광의 세기 I[Lux]’(세로축)를 Logger Pro 3의 ‘Event with Entry’모드로 측정 기록한다.

38 그림 13.7 광세기 대 거리 역제곱 법칙 실험 구성도 Candle Mode Flash Lamp Light Source
Optical Rail LabPro PC w. Logger Pro 3 Optical Sensor 그림 광세기 대 거리 역제곱 법칙 실험 구성도

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