프리즘

분산 프리즘

분산 프리즘은 파장별로 빛을 분산시킨다.

정도의 차이는 있지만 모든 물질 속에서의 빛의 진행속도는 파장에 따라 달라진다. 이는 물질을 구성하는 원자나 분자가 빛의 진동수에 따라 다르게 행동하기 때문이다. 따라서 진공에서의 빛의 속도에 대한 물질에서의 빛의 속도의 비로 정의하는 굴절률도 파장이나 진동수에 따라 달라진다. 일반적으로 거의 모든 파동이 가지고 있는 이러한 현상을 분산(dispersion)이라 하는 데 빛도 예외가 아닌 것이다. 따라서 매질로 입사하는 빛도 파장에 따라 다른 각으로 굴절하게 되므로 이 성질을 이용해서 빛의 파장을 측정하게 하기도 한다. 주로 이 용도로 사용하는 프리즘을 분산 프리즘(dispersion prism)이라 한다,

오른편 그래프는 아래의 분산 프리즘에 관련한 프로그램에서 사용한 몇몇 매질의 굴절률이 파장에 의존하는 형태를 보여주고 있다. 그래프는 주로 가시광에 대한 것으로 이 영역에서는 파장이 줄어들면 굴절률이 증가해서 정상분산의 특징을 보인다.

렌즈나 프리즘을 만드는 데 주로 이용하는 광학유리는 BK(borosilicate crown), BaK(barium crown), LaSF(lanthanum dense flint) 등 계열의 약어 이름에 번호를 붙여서 표시하고, 각 계열에는 여기서 제시하는 것뿐만 아니라 수많은 물질들이 있어서 용도에 맞게 이용된다. 최근에는 대량 생산을 하는 데 가공이 용이한 플라스틱도 이용되고 있는 데, 여기서는 Zeonex E48R와 Polyacrylate 두 물질을 제시하고 있다. 이 둘은 단파장 영역을 투과시키지 못하여 그래프의 범위가 제한되어 있다. 또한 Sapphire 및 Calcite 결정은 복굴절 물질로서 정상광선(o-ray)과 이상광선(e-ray)의 굴절률이 차이가 있는 것이 나타나 있다. 또한 선형 특성을 갖는 Artificial #1, #2는 가공의 물질로 분산 프리즘이 분산시키는 과정을 과장해서 보여주기 위한 것이다.

아래 그림은 다양한 매질로 만들어진 실제의 프리즘에 빛이 입사해서 파장별로 광선이 분리되어 빠져나가는 것을 보여준다. '리셋'을 누를 때마다 프리즘의 매질이 앞의 분산 그래프에서 제시된 물질이 임의로 선택되며 또한 프리즘의 꼭지각, 놓인 각도도 달라지게 되어 다양한 상황에 대해 살펴볼 수 있도록 하였다.

[질문1] 정삼각형의 크라운 유리로 만든 프리즘이 있다. 이 유리는 붉은 색에 대해서 굴절률이 1.5204 이고 푸른 색에 대해서는 굴절률이 1.5293 이다. 프리즘에 $\theta_{i1} =$ 45°로 이들 두 색이 혼합된 빛이 입사한다면 둘은 분리되어서 나간다. 이 둘의 분산각은 얼마인가? 만일 입사각을 푸른 색에 대해 최소편향각의 조건으로 하였다면 이 둘의 분산각은 얼마일까? (앞에서 다루었던 편향각의 식들으로부터 계산할 수 있다)

_ 결정_ 정상분산_ 이상광선_ 정상광선_ 진동수_ 복굴절_ 굴절률_ 파동