복굴절

다음 프로그램은 복굴절체에서 편광상태가 변하는 것을 관찰하고 이로부터 위상지연판의 원리를 알아보는 모의실험이다.

exp

위상지연판 모의실험_ 빛이 복굴절체(birefrengent material)로 진입해서 편광상태가 변화되어 오른쪽으로 빠져 나온다. 복굴절체는 단축성으로 광축이 $x$ 방향으로 고정되어 있으며, 두께(thickness)와 굴절률을 조절할 수 있다. 한편 입사하는 빛의 편광상태도 임의로 조절할 수 있다. 물체를 통과하는 중간 과정에서의 편광상태는 'view plane' 슬라이더로 변경할 수 있으며 이것의 모양은 오른쪽 아래에 수치와 함께 그림으로 나타난다.

프로그램 설명

1. 그림을 마우스를 끌어 화면에 나타나는 시각을 변경해서 입체적인 전모를 잘 파악할 수 있도록 되어 있다.

2. 복굴절체(birefrengent material)의 두께(thickness), 두 굴절률 $n_o, n_e$를 각각의 슬라이더로 변경하여 여러 가지 다양한 상황에 대해 실험해 볼 수 있다.

3. 여기서의 복굴절체는 하나의 광축을 가진 단축성 물질이다. 광축은 $x$ 방향으로 고정되어 있으며, 이 방향으로 편광된 빛의 굴절률이 $n_e$이고, 이에 수직한 $y$ 방향으로의 굴절률이 $n_o$이다.

4. 입사하는 빛의 편광상태는 타원편광의 두 계수로 설정할 수 있다. 이들은 타원율각(ellipticity angle), 경사각(azimuth angle)인 데 각각의 슬라이더로 이들 각이 허용되는 전체 범위에 걸쳐서 변경할 수 있어서 편광의 전 영역을 포괄하게 된다. 타원율각이 0° 이면 언제나 선편광이 되어 경사각을 조절해서 특정한 방향으로의 편광판을 통과한 빛을 만들 수 있다. 한편 타원율각이 ±45° 이면 원편광이 되고 이때는 경사각은 의미가 없어진다. 화면이 처음 나타난 상태에서는 광축에 대해 45° 기울어진 선편광이 선택되어 있다. ('푸앵카레 구 표현' 참조)

5. 'view plane' 슬라이더는 물질 내부 단면에서의 편광상태를 살펴보기 위한 것이다. 선택된 그 위치는 물질에서는 붉은 색조의 면으로 표시된다. 이 위치에서의 편광은 화면의 오른편 아래에 평면 그림으로 나타내고 있다. 또한 그 아래에 수치로 편광상태의 정보를 나타내었다. 이들은 각각 타원편광의 타원율(ellipticity), 경사각(azimuth) 등이다. 최종 출사광의 편광상태는 관찰위치를 두께 값을 최대로 설정하면 된다.

6. 처음에 주어진 화면에서 화면의 위쪽으로 $+x$ 축, 화면에서 앞으로 돌출하는 쪽이 $+y$ 축, 그리고 빛이 진행하는 오른쪽으로가 $+z$ 축이다.

7. 편광상태를 보다 잘 볼 수 있도록 움직이는 붉은 점으로 나타내고 있는 데 서로 상대적인 위상은 의미가 없고, 단지 타원을 따라서 회전하는 방향만 의미가 있다.

8. 처음 주어진 상황은 45°로 입사한 선편광이 깊이 2.5μm에 이르렀을 때 -45°의 선편광이 되는 것을 보여주고 있다.

복굴절체에서 편광상태의 변화 양상 관찰

1. 처음 주어진 조건에서 복굴절체에 침투한 깊이에 따라 변하는 편광상태를 관찰하고 이를 스케치 해 보라.

2. 파장을 가시광선 범위(380~780nm)로 변화시켰을 때 결과가 어떻게 달라지는지 관찰하고, 그 이유를 생각해 보자.

3. 출사되는 빛 그대로 단지 진행방향을 반대로 한다고 하자. 물질속을 진행함에 변하는 편광상태는 원래 방향으로 진행할 때와 어떤 차이가 있을까? 이와 같은 상황을 다양하게 만들어서 관찰하고, 이로부터 빛의 가역성에 대한 일반적인 법칙을 정리하라.

1/4파장판 실험

1. 처음 주어진 조건에서 위상지연판에 널리 사용하는 방해석의 굴절률로 맞추고, 파장 500 nm에서 1/4파장판의 역할을 하도록 한다.

2. 입사광의 타원율각을 0°로 고정하고 경사각을 변화시키면 모든 선편광상태가 나타날 것이다. 경사각을 5° 간격으로 바꾸어서 출사광의 편광상태를 측정하라. 이 결과로 부터 1/4파장판이 선편광을 변화시키는 방식을 설명하라.

3. 입사광의 경사각을 0°로 고정하고 타원율을 ±45° 범위에서 5° 간격으로 변화시키면서 출사광의 편광상태를 측정하라. 이 결과가 파장판의 광축을 입사 타원편광의 장축방향과 일치시켜서 같은 경사각의 선편광을 만드는 1/4파장판의 기능을 재현하는지 확인하라. 경사각을 90°로 바꾸고 같은 실험을 되풀이 한다. 이는 광축을 타원편광의 단축과 일치시키는 것이다. 이 결과를 정리하라.

반파장판 실험

1. 처음 주어진 조건에서 복굴절체를 방해석으로, 파장 500 nm에서 반파장판이 되도록 한다.

2. 입사광의 타원율각을 0°로 고정하고 경사각을 변화시키면 모든 선편광 상태로 입사시킬 수 있다. 이에 대한 출사광의 편광상태를 측정하라. 이 결과로 부터 반파장판이 선편광을 변화시키는 방식을 설명하라.

3. 1/4파장판 실험의 3 절차를 되풀이해서 반파장이 타원편광을 변화시키는 방식을 찾아라.

4. 파장을 500 nm에서 약간 벗어난 여러 값으로 설정해서 반파장판으로서의 역할을 어느 정도 유지하는지 관찰하자.

[질문1] 복굴절체의 끝에 거울을 설치해서 오는 빛을 되돌려 보낸다고 하자. 보통의 거울은 편광의 진동면과 방향을 그대로 유지한채 단지 진행을 반대로 한다. 되돌아 오는 빛의 편광상태는 입사한 것과 어떤 관계가 있을까?

[질문2] 원편광판은 보통의 편광판이 특정한 선편광을 통과시키는 것처럼 특정한 원편광만 통과시킨다. 적절한 파장판을 선편광판과 조합해서 원편광판을 만들 수 있을까? 가능하다면 그 배치를 도해하고, 그렇게 기능하는 원리를 설명하라.