[광학] 파동광학 : 간섭, 회절, 편광

 

 물리광학(Physical optics)이라고도 불리는 파동광학(Wave optics)은 기하광학의 광선 근사, 결상 이론이 적용되지 않는 현상을 주로 다룬다. 빛이 입자냐 파동이냐 하는 논쟁은 20세기 알베르트 아인슈타인의 광전 효과로 빛은 입자성과 파동성이라는 양면성, 이중성을 갖고 있다고 해석되었고, 결론지어졌다. 

 

 

 빛의 파동성에 의한 현상 중 하나인 간섭(Interference) 현상은 파동이 위상을 지니기 때문에 발생하는 것으로, 진폭의 공간적인 보강 및 상쇄를 의미한다. 즉 2개 이상의 파(wave)가 동시에 한 점에 도달했을 때, 그 점에서 파가 강하게 합쳐지는 보강 혹은 상쇄되어 밝고 어두운 무늬가 반복적으로 나타나는 것을 말한다. 파동의 성질을 가진 것은 모두 이러한 특성을 가지고 있으며, 그 예로 수면파, 음파, 광파, 전자파 등 모두 간섭을 일으킨다. 물리적으로 2가지 이상의 파장이 중첩되면 새로운 파장의 형태가 된다는 것인데, 이는 그 파장들이 같은 광원에서 출발한 것이거나, 완벽에 가깝거나 혹은 그와 같은 "주파수"를 가지고 있기 때문에 일어난다. 만약 두 가지의 파장이 정확히 동일하지 않은 파장 영역을 지니고 있고, 각각 생성된 파장에서 같은 수의 "상" 차이를 보인다면, 이 두 개의 비 단일파장들은 서로 완벽히 보강될 수 있다.

 

 보강간섭은 같은 위상의 두 개의 파동이 중첩될 때 일어나는 간섭을 말한다. 이때 마루와 마루 혹은 골과 골이 만나 합성되는 파의 진폭이 2배로 커지게 된다. 이와 반대로 상쇄간섭은 반대의 위상을 가진 두 개의 파동이 중첩될 때 발생하는 것으로, 마루와 골이 만나서 합성된 파동의 진폭이 0이 되어 상쇄되어 소멸간섭이라고도 한다. 보강간섭은 같은 진폭과 진동수를 가진 두 개의 파동이 어느 순간 같은 영역을 통과하게 되면 순간의 결과로 두 파동의 위상이 동일해 마루와 마루가 만나고, 골이 골을 만나 중첩되는 것이다. 따라서 이때 생기는 파동은 원래의 파동과 진동수는 같고 진폭이 2배가 되는 것이다. 상쇄간섭은 같은 진폭과 진동수를 가진 두 파동이 어느 순간 같은 영역을 통과할 때, 순간의 결과로써 두 파동의 위상이 180도 어긋나게 되어 마루와 골이 중첩되며 파동이 완전히 상쇄, 소멸하는 것을 말한다. 이는 토머스 영의 이중 슬릿 실험을 통해 널리 알려졌다. 토머스 영은 두 개의 미세한 슬릿을 사용하여 두 광선이 이동 경로에 따른 위상 차이에 따라 보강되거나 소멸하는 패턴이 나타난다는 것을 보임으로써 "간섭"과 뒤이어 나올 "회절" 현상을 설명하였다. 두 개의 빛은 동일한 광원에서 출발하여 같은 거리에서 같은 위상을 갖게 되므로 간섭무늬의 중심에서도 두 빛은 동일한 진행 거리를 갖게 되는 것이다. 일상생활에서도 간섭의 대표적인 예시를 볼 수 있는데, CD, 비눗방울, 폐유, 안경 코팅 등이 그 예이다.

 

 

 또 다른 대표적인 파동 현상 중 하나인 회절(Diffraction)은 고유어로 에돌이라고도 하며, 음파나 전파 또는 광파와 같은 파동이 장애물이나 좁은 틈을 통과할 때, 해당 파동이 그림자 부분, 그 뒤편까지 전파되는 현상을 말한다. 앞서 토머스 영 실험에서도 두 슬릿에 의해 회절 현상이 나타났고 빛의 파동성을 입증하는 데 크게 기여했다. 입자의 진행 경로에 미세한 틈이 있는 장애물이 존재하면 입자는 그 틈을 지나서 직선으로 진행하려고 한다. 이와 달리 파동은 그 틈을 통과하는 직선 경로만 아니라, 그 주변의 일정 범위인 뒤 편까지 돌아서 들어간다. 이처럼 파동은 입자로서는 도저히 도달할 수 없는 영역까지 휘어지며, 이를 회절 현상이라고 한다. 회절은 보통 장애물에 부딪혀서 발생하는 다양한 현상으로 언급되는데, 물결파를 좁은 틈으로 통과시켜 보면 회절을 쉽게 관찰할 수 있고, 모든 파동에서 회절 현상은 관찰할 수 있다. 회절의 정도는 틈의 크기와 광원의 파장에 영향을 받는데, 틈의 크기에 비해 파장의 길이가 길면 회절이 더 많이 일어난다. 일상생활에서도 회절 현상은 쉽게 경험할 수 있는데, 담장 너머에 있는 사람의 모습은 볼 수 없어도 목소리는 들을 수 있는 것은 소리가 공기를 매질로 하는 파동이기 때문에 회절이 일어난 것이다. 따라서 담장 너머에 있는 사람의 목소리는 담장의 위쪽을 돌아 반대편에 있는 우리에게까지 전달된 것이다.

 

 

 마지막으로 파동광학의 대표적인 마지막 현상은 편광(Polarization of light)이다. 편광은 빛을 전자기파로 여기며, 전자기파에서 전기장의 진동 방향이 일정하거나 혹은 회전하는 현상을 말한다. 빛은 전기장과 자기장이 서로 진동하면서 전파되는 파동의 일종이며, 전기장과 자기장이 진동하는 방향은 빛이 진행하는 방향에 대해 서로 수직이다. 이때 전기장의 진동 방향이 일정하면 선형 편광, 전기장의 진동 방향이 회전한다면 원형 편광되었다고 한다. 또한 두 편광에 해당하지 않는 경우, 즉 합성된 자기장 벡터가 회전하면서 크기가 변화하는 경우에는 타원편광이라고 한다. 전자기파는 무수히 많은 광자로 구성되어 있고, 전자기파의 전기장은 각 광자의 전기장이 상호 중첩되어 나타나는데, 일반적인 빛은 편광되어 있지 않으나 빛이 진행하는 경로상에서 자기장이나 빛의 경로를 방해하는 먼지 따위가 있다면 부분적으로 편광될 수 있다. 따라서 편광을 관측하여 천문학적 분석으로 자기장의 유무나 성 간 먼지에 대한 정보를 얻을 수도 있다.

 빛은 입자성과 파동성을 모두 가진 양면성의 에너지를 가지고 있는 입자이다. 빛의 파동성은 여러 과학자에 의해 입증되었고, 그 대표적인 현상으로는 간섭, 회절, 편광 3가지 현상이 있다. 일상생활에서도 이 현상들은 관측되며, 이 현상들은 오늘날 많은 분석과 연구에 이용되고 있다.

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