광부품의 이해

1. 서론 본 장에서는 레이저를 이용한 광학 실험을 수행할 때 필요한 여러 가지 광학 부품을 이해하고 사용하는데 필요한 기본 사항을 설명한다. 광부품의 종류가 매우 다양하여 전부 설명할 수 없으므로 필수적인 광부품만 다루기로 한다. 대부분의 광부품은 광의 반사, 굴절, 편광, 회절, 간섭 현상 외에도 광전효과 및 유도방출과 같은 미시적인 물리 현상들을 이용한 것이다. 여기서는 광파의 특성별로 내용을 구분하여 분광학에서 주로 사용하는 거울, 렌즈, 프리즘, 편광자, 복굴절 광부품, 필터, 광다이오드, 광전증배관, ICCD 등의 작동 원리를 정리하였다. 2. 평면파의 전파 특성 빛의 본질은 전자기파이며, 고전 전자기학의 기초 방정식인 맥스웰 방정식을 통해 빛의 전파 특성을 이해할 수 있다. 진공중에서 빛의 전기장 와 자기장 는 각각 다음과 같은 맥스웰 방정식에 따른다. ,, , (1) 여기서 과 는 각각 진공중에서의 유전율(permittivity)과 투자율(permeability)이다. 이 식들로부터 유도되는 파동 방정식(wave equation)은 다음과 같다. , (2) 여기서, c는 빛의 속도이며, 로 주어진다. 앞으로 빛의 자기장과 전기장 성분들을 대신해서 U로 표기하기로 한다. 평면파가 z 축으로 진행한다고 가정하면, 위의 파동 방정식에 의해서, 시간 t와 위치 z에 따른 U의 변화는 (3) 로 표현된다. 여기서 k는 파수이며, δ는 초기 위상이다. U(z, t)는 주어진 시간에 대해서 공간적으로 주기함수이므로 가 되는 거리 가 존재한다. 즉 (4) 이므로가 되어야 한다. 여기서 를 파장이라 하며, 가 된다. 파장의 역수 를 분광학파수(spectroscopic wavenumber)라 한다. 마찬가지로 주어진 위치에서도 시간에 따른 U의 변화가 주기적이므로 가 되는 T가 존재한다. 따라서 (5) 이며, 가 되어야 한다. 를 주기라 한다.