마이크로파의 편광 |
마이크로파의 편광 |
실험목적 |
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마이크로파가 편광 되어 있는 상태를 관측하고 또한 편광자가 하는 역할을 이해한다. 또한 편광 상태에 따른 빛의 반사의 법칙과 브레스터 각을 관측한다. |
이론 |
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< 편광 > 빛과 같이 진행방향에 대해 수직으로 물리량이 진동을 하는 횡파의 경우에는 한 방향으로 진행하는 파동이라도 그 진동방향이 두 가지의 방향을 가질 수 있으므로 둘을 분리하여 취급할 수 있다. 진행방향을 z 방향이라 할 때 진동방향은 x 나 y 두 성분으로 분해할 수 있고, 이를 각각 x 편광상태, y 편광상태라 한다. x-y 평면위의 임의의 방향으로 진동을 하는 파동의 경우에는 이 두 방향의 편광상태가 합성된 것으로 생각할 수 있고, 또한 적당한 장치로써 한 방향의 편광상태 만을 분리해 낼 수 있다. 줄의 진동은 역시 횡파이기 때문에 두 가지의 편광상태가 있다. 줄을 진동시켜서 파동을 만들어 보내면서 그 줄의 중간부분에 좁은 틈으로 벽을 만들면 그 방향으로 편광된 파만 통과되고 거기에 수직한 방향으로 편광된 파는 통과되지 못한다. 빛의 경우에도 이렇게 두 방향의 전기장이 진동을 할 수 있어 두 가지 편광상태가 존재하는데 이를 편광이라 한다. (자기장의 방향도 전기장에 수직한 방향으로 형성되므로 두 방향을 생각할 수 있으나 편의상 전기장의 방향을 편광의 방향으로 삼는다.) 빛의 경우에 각 편광상태로 분리해주는 장치를 편광자(polarizer)라 한다. 빛의 경우에 이러한 편광자는 그 파장에 따라 각각 다르게 만들어 진다. 본 실험에서 사용하는 마이크로파의 경우에는 파장보다 좁은 간격으로 평행도선을 촘촘하게 배열해 놓으면 그 도선에 수직한 방향의 전기장의 진동은 잘 통과를 하나 도선에 나란한 전기장은 도선에 쉽게 흡수되어 투과되기 어렵다. 그 이유는 도선에 평행한 전기장은 도선에 전류를 흐르게 하여 전류가 열로 손실되기 때문이다. 이는 평행도선의 방향에 대해 수직한 방향으로의 편광축이 형성되어 있는 편광자라 할 수 있겠다. 방송국에서 발사되는 전파나 이 실험장치에서 발사되는 마이크로파는 다 같이 안테나 방향으로 직선편광되어 있다. 그러나 가시광선은 그 광원에 따라 다르기는 하지만 제멋대로 편광된 빛이 많이 모여있다. 이러한 상태를 편광 되어 있지 않은 상태(비편광상태)라하는데 이는 빛을 방출하는 안테나 역할을 하는 분자들이 제멋대로의 방향을 하고 있기 때문이다. 이렇게 편광되지 않은 빛이 편광자를 통과하면 그 편광축 방향으로 편광된 빛이 나온다. 또한 한쪽 방향으로 편광된 빛이 그 방향에 대해 편광축이 θ방향으로 기울어진 편광자를 통과하면 통과하는 빛은 cos(θ ) 비율로 진폭이 줄어 든다. 빛의 세기(intensity)는 진폭의 제곱에 비례하므로 입사하는 빛의 세기를 Io라 하면 투과하는 빛의 세기 I는 다음과 같다. I = Io cos2(θ) <식 1>
< 브레스터 각 > 전자기파가 매질의 경계면에 입사하면 부분적으로 반사되고 굴절되어 침투한다. 그 입사하는 파의 세기에 대한 반사파의 세기의 비를 반사율, 굴절하는 파의 세기의 비를 투과율이라 한다. 이 반사율과 투과율은 파의 편광상태에 따라 달라진다. 한편 특정한 편광의 파동에 대해 반사율이 0이 되는 입사각이 존재한다. 이 각을 브레스터 각(Brewster angle)이라 한다. |
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실험장치 |
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(1) 마이크로파 송신기, 수신기, 각도측정장치 등 : {마이크로파 기초 실험} 참조 (2) 편광자 : (3) 폴리스틸렌 판 |
실험방법 |
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그림 2. 편광 실험의 기구구성
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< 편광 실험 > (1) 그림 2처럼 장치를 구성한다. 이때도 전류계가 최대의 눈금을 가리키도록 조절한다. (2) 수신기를 붙잡아두고 있는 뒤편의 나사를 약간 느슨하게 풀어서 수신기를 수직축에서 10o간격으로 기울이면서 전류계의 눈금을 기록한다. (3) 180o 에 이를 때까지 19개의 데이터를 다 측정하고 이를 그래프로 그린다. (4) 이 그래프를 이론적으로 기대되는 결과인 식 (1)와 비교하여 편광상태를 알아낸다. (5) 그림 1의 편광자를 수신기와 송신기 사이에 편광축을 수직이 되도록 설치한다. 그리고 앞의 (2), (3), (4) 과정을 되풀이 한다. (6) 편광자를 송신기와 수신기 사이에 편광축이 수평이 되도록 설치하여 (5)를 되풀이 한다.
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그림 3. 브레스터 각의 측정
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<브레스터 각의 측정> (1) 그림 3처럼 기구를 배치한다. (2) 송신기와 수신기의 편광축을 수직 방향이 되도록 한다. 즉 입사평면(입사파, 반사파, 굴절파가 공통적으로 놓여 있는 평면)에 편광방향이 수직이 되도록 하는 것으로 이러한 편광을 s-편광 혹은 TE파라 한다. (3) 폴리에틸렌 반사판에 입사각 20o로 파가 입사하도록 반사판과 송신기를 고정하고 수신기를 회전시켜 반사파가 최대가 되는 반사각을 찾아서 이때의 수신기 눈금을 기록한다. (4) 그 각에서 송신기와 수신기이 평광축을 수평이 되도록(입사평면위에 편광방향이 놓이도록 함. p 편광 혹은 TM파라 함)하고 수신기의 눈금을 기록한다. (5) (2)-(4)의 절차를 입사각을 25o, 30o, .... ,75o 에 대하여 반복한다. 그리고 s, p 편광에 대해 각각 입사각에 대한 반사율을 계산하고 이를 그래프로 그려라. (6) (5)의 그래프를 참조로 하여 p 편광의 경우에 대한 반사율이 최소가 되는 각을 1o정도의 정밀도로 다시 측정하여 이로부터 브레스터 각을 결정하라. |
질문 |
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(1) 편광실험에서 실제로 수신 장치의 전류는 마이크로파의 세기(intensity)에 정확하게 비례하지 않는다. 또한 파의 전기장의 크기에 비례하지 않아 선형이 아니라고 말할 수 있다. 실험과정 중 (4)에서의 결과와 세기에 대한 이론식 (1)사이를 면밀히 비교하여 세기에 의존하는 정도를 분석해보라. |cos(θ)|n 에 비례한다고 가정하면 n은 1과 2사이에 있다고 할 수 있는데 n의 값을 추정해보라.) (2) 편광 실험에서 편광자는 어떠한 역할을 한다고 이해되는가? (3) p 편광에 대해 투과율의 변화를 측정하여 브레스터 각과의 관계를 설명하라. (4) 측정한 폴리스틸렌의 브레스터 각으로 부터 이의 귤절율을 계산하라. |
참고도서 |
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(1) "물리학총론" D. Halliday 외 저, 김종오 역, 교학사, 38-6절 (962∼966쪽), 39-6절 (994∼995쪽) (2) "Optics 2판", Hecht저, Addison Wesley, 8장 Polization (270∼282쪽) : 이 책은 빛의 편광에 대하여 설명하고 있으나 근본적으로 빛도 마이크로파처럼 전자기파의 일종이어서 같은 이론이 성립된다. 이 책에서는 편광이 되는 원리를 잘 설명하고 있으니 참고하기 바란다. 본 실험에서 사용한 편광자는 책의 279쪽에 나와 있는 Wire-Grid Polarizer와 같은 형태이므로 이부분을 미리 공부하여 예비 리포트에 정리하도록 한다. |
그림
1. 편광자. 그림에서 편광축은 수평방향이다.
