[광학] 광학의 세부 분야 : 기하광학, 파동광학, 양자광학, 분광학

 

  물리학 중 빛의 거동과 특성을 연구하는 학문인 광학은 기하광학, 파동광학, 양자광학 그리고 분광학 등 다양한 세부적인 분야로 나뉜다. 이 중에서 기하광학은 빛의 진행을 아주 작은 "입자"의 개념으로 보고, 이 작은 입자 운동의 궤적을 "광선"으로 나타낸다. 광선의 진행을 직진 법칙, 반사 법칙, 굴절 법칙 이 3가지 기본 법칙을 기본으로 하여 광학의 전반적인 현상을 이해하는 학문 분야이다. 따라서 빛을 "입자"라는 관점에 둔, 입자성에 바탕을 두고 진공과 매질 속에서 빛이 이동하는(통과하거나 투과하는) 경로에 관심을 두고 기술하는 분야를 일컫는다. 광선의 경로는 직선 또는 곡선으로 나타낼 수 있으며, 이를 기술하거나 분석하기 위해서는 기하학의 기본 개념과 법칙을 바탕으로 하기 때문에 기하광학이라고 하는 것이다. 기하광학의 기본 법칙과 개념은 오늘날 안경, 카메라, 현미경, 망원경 등 다양한 각종 결상 기기, 분광계나 편광계와 같은 계측 기기, 자동차 전조등이나 전등과 같은 조명 기기 등 다양한 광학 기기의 설계 및 성능을 분석하기 위한 이론적인 도구로 사용된다.

 앞서 언급했듯 기하광학의 오늘날 가장 중요한 쓰임새는 바로 "결상" 이론이다. 이는 빛의 직진, 반사, 굴절의 법칙을 바탕으로 하여 기본 광학 소자인 렌즈와 거울의 광학적 특성 및 결상 조건 및 상의 불완전성에 대한 정도를 기술하는 수차의 특성을 설명하고 또 정량적으로 분석하기 위해서 사용되기도 한다. 형성된 상의 성질은 광선들의 집합으로 간주하며, 이를 기하학적으로 취급하는 것이다. 또한 프리즘이나 에돌이발을 사용하는 분광 계측 기기를 설계하거나 성능을 예측하기 위해서도 기하광학이 이용된다. 따라서 모든 광학 현상과 광학 소자에 대한 현상 및 특성을 분석하고 이해하기 위해서 일차적으로 사용되며, 이는 다양한 광학 기계를 제작하는 데 매우 유용한 "근사적 이론"인 것이다.

 대표적인 기하광학을 설명하는 이론은 2가지가 있다. 페르마의 법칙(Fermat's principle), 페르마의 원리라고도 불리는 이 법칙은 "빛은 시간이 최소한으로 소요되는 경로를 이동한다"는 이론이다. 즉 빛은 최단 시간으로 이동할 수 있는 경로를 선택한다는 것이다. 이는 앞서 직진, 반사, 굴절의 법칙을 모두 포괄하는 이론이기도 하다. 이 법칙은 스넬의 법칙(Snell's law)이라 불리는 굴절의 법칙을 설명하는 데에도 이용된다. 

 기하광학은 빛의 파동성과 양자성과 같은 특성을 무시하고 빛의 직진, 진행하는 특성만을 고려하여 기하학적으로 연구하는 분야이다. 그러나 실제로 빛은 간섭, 회절, 편광과 같은 현상이 일어나며 이는 파동적인 성질을 가지고 있음을 의미한다. 이는 이미 광학의 역사에서 많은 과학자와 철학자를 비롯한 지식인들이 지속해 온 논쟁이기도 하다. 

 파동광학은 물리광학(Physical optics)이라고도 하며, 물리학에서 광학의 한 분야이다. 기하광학의 광선 근사가 적용되지 않는 간섭, 회절, 편광 등의 파동적인 현상을 다루고 있기 때문에 빛을 단순하게 광선의 집합이라 여겨 그것이 전파하는 모양을 논하는 기하광학에 대응하기 위해 파동광학이라고 이름이 붙여진 것이다. 파동광학은 기하광학보다 늦은 17세기 말에서 18세기쯤 영향력을 드러내기 시작했으며, 이에 하위헌스, 프라운호퍼, 프레넬, 토머스 영 등의 유명한 과학자들이 빛의 파동성을 입증하는 데 노력했다. 대표적으로 토머스 영은 이중 슬릿 실험을 통해 빛의 회절과 간섭 현상을 설명했는데, 이는 기존 기하광학에서 설명한 것과 다르게 빛이 한 방향으로 직진하는 것이 아니라 파동 같은 특성으로 두 개의 미세한 슬릿에서 동시에 빠져나오는 것이 가능하며, 뒤쪽 스크린에 해당 작용으로 인한 무늬가 나타남을 증명했다. 빛이 입자의 특성만 가지고 있다면, 명확한 궤적을 가지기 때문에 두 슬릿 중 하나의 구멍만을 통과해야 한다는 기존 이론을 부순 것이다.

 이러한 기하광학과 파동광학이 공존한다는 "빛의 이중성"은 20세기 알베르트 아인슈타인에 대해 정립되었다. 바로 파동-입자 이중성(wave-particle duality)의 개념을 제시한 것이다. 이는 광학을 미시적인 관점에서 보는 것으로, 빛의 특성과 매질과의 상호작용을 "양자역학"적 관점에서 설명한다. 양자역학에 의하면 빛은 전자기파로 다루어짐과 동시에 "광자"라는 입자의 개념으로도 바라본다. 즉 빛과 매질은 상호 작용 과정에서, 빛은 광자 하나에 해당하는 에너지를 기본 단위로 하여 매질에 흡수되거나 방출된다.

 분광학은 빛과 물질의 상호 작용에 대해 연구하는 학문으로, 아이작 뉴턴이 프리즘(prism)을 사용하여 빛이 총 7가지의 색으로 분리(분해)될 수 있다는 결과를 시작으로 한다. 이는 빛이 물질과 반응하여 물질에서 흡수되거나 방출되어 나타나는 "스펙트럼(spectrum)"을 분석하여 물질의 상태를 알아낼 수 있음을 의미하는 것이다. 이 개념은 확장되어 파장 혹은 주파수에 따른 어떠한 양을 측정함을 의미한다. 이에 따라 입자 복사 상호 작용 혹은 주파수가 변화하는 전자기장에 대한 반응 등의 연구도 분광학이라 불리고 있다. 분광학은 물리와 분석화학 분야에 적용되고 있으며, 물질에서 방출되거나 흡수되는 스펙트럼을 분석하여 물질을 식별하기 때문에 천문학이나 원격 센서에서도 중요한 역할을 하고 있다. 대부분의 대형 망원경에는 분광계가 설치되어 있어 화학적 및 물리학적 특성을 측정하거나, 천체의 속도를 측정하는 데에도 사용되고 있다.

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