[공학] 광학실험 - 빛의 속도 측정

광학실험 - 빛의 속도 측정

1. 실험목적

공기 중 빛의 속도를 변조 방법(modulation method)으로 측정하고, 투명 고체매질 안에서 빛의 속도를 측정하여 굴절률을 구해본다.

2. 실험이론

빛의 속도는 Maxwell 방정식으로부터 다음과 같이 구할 수 있다.
(1)
; 진공의 유전율
; 진공의 투자율
매질의 굴절률은 진공과 매질 안에서 빛의 속도의 비율이다.또한 n은 Maxwell 방정식에서
(2)
로 주어진다.
여기서 은 매질의 상대유전율(relative permittivity), 는 상대투자율(relative permeability)이다. 대부분의 투명한 재질에서 〓1 이다.
상대유전율과 굴절률은 원자와 분자의 공명 때문에 빛의 진동수에 의존한다(분산). 이 실험에서 붉은 빛의 광원(LED)이 광속측정에 사용되며, 광속 측정을 위해 주파수 약 50 MHz의 사인파 모양으로 변조시켜 내보낸다. 변조된 LED 빛은 렌즈로 시준되어(collimated) 거울 2개를 거쳐 광검출기로 들어와 빛의 세기에 비례하는 사인파의 전기 신호를 오실로스코프에 나타낸다(그림1). 이 …(생략)

이다.

4. 실험방법

① 최대 신호가 수신 다이오드에 검출되도록 (투과한 빛이 바닥판에 평행하도록) 그림 1 과 같이 deviating mirror와 렌즈들을 정렬한다.(상세한 설명은 기기메뉴얼 참고)

② 50.1 MHz의 변조 진동수는 내부 회로에 의해 대략 50 kHz로 낮추어져 오실로스코프로 출력된다.. 송수신 신호를 각각 오실로스코프 ch1과 ch2에 표시하여 주파수가 50KHz임을 확인한다.(수평축 〓 시간, 외부trigger사용.)

③ 거울은 가능한 조정기에 가까이 붙여 놓아라.(눈금의 0점에 맞춤) 조정기의 위상 손잡이를 사용하여 오실로스코프에 나타난 두 신호가 위상이 일치하도록 만든다. 그런 다음 수평축을 시간에서 Ch1로, 수직축을 Ch2로 바꾸어 리사주 도형(Lissajoux figure)을 만든다. 이 모양이 직선이 되도록 송신신호(기준파)의 위상을 조정한다.

④ 그 다음 위상이 만큼 변할 때까지 거울을 눈금을 따라 이동한다.(즉, 직선의 기울어진 방향이 90°변환 때까지) 거울의 이동거리 를 10회 반복 측정한다.

⑤ 물이 채워진 관이나 synthetic resin block을 광선의 경로 안에 놓아서 그 끝 면과 광축이