홀로그래피 실험1 (투과형 홀로그램의 제작)

이론
	1947년 영국의 과학자 데니스 게이버(Dennis Gaber)는 전자현미경에서 전자의 물질파 파면(wave front)에 대한 정보를 필름면에 기록하여 이를 전자보다 만 배 이상의 파장을 가지고 있는 가시광선으로 재생하여 전자현미경의 배율을 획기적으로 높일 수 있을 것이라는 원리를 제안하였다. 그 당시에는 레이저가 나오기 이전이었으므로 가시광원으로서 저압 수은등의 546.1nm의 초록색 빛을 이용하였다. 그의 이론은 실현이 되었으나 재생파를 입사파로부터 완전히 분리하기에 불편한 점이 많아서 크게 주목받지는 못하였다. 그러나 게이버의 발상은 물체의 영상을 명암으로만 기록하는 통상적인 사진술과 전혀 다르게 물체에서 방출되는 빛의 파면에 대한 정보를 필름에 기록하는 혁신적인 것이다. 이렇게 기록된 필름을 게이버는 홀로그램(hologram)이라 불렀다. 홀로그램에서 다시 그 파면을 재생하면 완벽하게 그 물체로부터 퍼져나가는 것과 같은 빛을 만들어 낼 수 있어 물체가 실지 그대로의 상태로 있는 것처럼 관측케 한다. 이러한 기술을 홀로그래피라 한다. 1961년 He-Ne 레이저가 나온 후 미국의 레이스(E.Leith)에 의하여 이 특별하게 간성성이 좋은 빛을 이용한 오늘날의 홀로그래피가 재발견되었다. 그후 계속해서 새로운 형태의 홀로그래피가 속속 발표되었고 또한 이를 응용한 신기술들이 개발되어 1960년대의 과학계를 흥분시켰다.

		그림 1. 필름면에 기준파(reference wave)와 물체파(object wave)의 간섭무늬가 기록된다. (a)에서 두 파가 만드는 무늬가 등간격의 격자형태가 되는 것을 보이고 있다. 보강간섭을 하는 곳에서는 필름이 검게 되어 현상후에는 빛을 통과시키지 못하게 된다. (b)에서 파장과 기울어진 각도로 격자의 간격을 계산할 수 있다. (c)에서 현상된 필름에 기준파만 비추어지면 격자에 의한 회절무늬가 여러 개 생긴다. 격자를 통과한 빛이 나아가는 방향은 n=-2, -1, 0, 1, 2, ...등인데 이중 n=1의 파가 원래의 물체파와 같은 것이다. (d)에서 n=1의 파가 나가는 각을 작도로서 보였다. 이는 (b)와 같은 삼각형으로 회절각이 결정됨을 보여주고 있다.
	< 홀로그래피의 원리 > 홀로그램은 물체에서 반사, 회전된 빛(물체파)을 그 빛과 간섭성이 있는 다른 파(기준파)와 간섭시켜 간섭무늬를 필름에 기록한 것이다. 간섭무늬가 기록된 필름을 원래의 기준파에 놓으면 필름을 통과한 빛은 빛의 회절 원리에 의하여 물체에서 나온 것과 같은 파가 나오게 된다. 이를 쉽게 이해하기 위하여 기준파(reference wave)와 물체파(object wave)가 다같이 평면파인 경우를 생각해 보자. 그림 1의 (a)에 이러한 두 파에 의해 필름 위에 간섭무늬가 생기는 양상을 보였다. 실제로 필름은 보강간섭이 되어 빛이 강한 데서는 노출이 많아서 검게 변하고 소멸간섭이 되는 데에서는 필름이 투명한 채로 있게 된다. 이렇게 만들어진 필름은 등간격의 격자형 무늬를 가진 회절격자가 된다. 이 필름에 원래의 기준파를 비추면 회절격자에 의한 회절효과로 원래의 물체파와 같은 파를 비롯한 몇 개의 파가 평면파로 나가게 된다. 회절격자에서 격자간격을 a라 할 때 보강간섭을 하는 조건은 asinθ=nλ인데 n=0인 경우가 회절격자를 그대로 통과해 나가는 기준파가 되고 n=1인 경우에는 물체파와 같은 파이다. 한편 n=-1인 경우에는 공액파(conjugate wave)라 한다. 그림 2는 점광원에서 나온 구면파와 평면파인 구면파가 간섭을 일으키는 양상을 보였다. 그림에서 보는 바와 같이 구면파의 각 부분은 평면파로 생각하여 각각 다른 각도로 필름에 입사하는 것으로 생각할 수 있어 간섭무늬의 간격이 연속적으로 변한다. 이렇게 만들어진 필름에 평면파를 비추면 필름의 각 부분에 따라 회절각이 달라져서 n=1인 회절파는 마치 점광원에서 출발한 것같이 방사상으로 발산하는 구면파로 되어 나간다. 그리고 n=-1인 파는 한 점에 모여들어 점광원의 실상을 맺게 된다. 이때 필름면 뒤쪽 위에서 오로지 구면파로 발산하는 파를 관측하면 점광원에서 빛이 발하는 것으로 느낄 것이다. 점광원이 여러 개라도 각각에 대한 간섭효과가 복합적으로 중첩되어 나타나 마치 점광원이 여러 개 있는 듯이 빛을 회절 시킬 것이다. 복잡한 물체의 경우에 레이저 빛을 조명하면 물체의 각 요소는 빛을 반사하여 마치 점광원인 것처럼 행동한다. 이와 기준파를 간섭시켜 필름에 간섭무늬를 기록하여 이 필름에 기준파를 비추면 필름너머로 마치 물체가 존재하는 것처럼 느낄 수 있다. 또한 시선을 옮김에 따라 눈에 관측되는 모습이 달라져서 입체상을 느낄 수 있게 된다. 이러한 홀로그램은 얇은 필름에 간섭무늬가 기록되어 필름을 복사할 수 있을 것이다. 필름에 노출도에 따른 농담으로 상을 기록할 수도 있지만 노출도에 따라 필름의 두께를 다르게 하여 필름에 빛이 통과할 때 각 지점들이 서로 다는 위상을 갖도록 하여 상을 재생할 수도 있다.

그림 2. 평면파인 기준파와 구면파인 물체파가 필름면 위에 만드는 간섭무늬로 간섭무늬의 형태는 프레넬의 존 플레이트와 비슷한 동심원을 만들 것이다. 이 동심원에 의해 회절된 평면파는 발산하는 형태가 있고, 그림에서 나타내지는 않았지만 수렴하는 공액파, 그대로 통과하는 기준파가 있다.

< 두꺼운 필름에 의한 상의 기록 >

두께를 무시할 수 없는 두꺼운 필름으로 기록을 하면 필름표면뿐만 아니고 내부에도 입체적인 간섭무늬가 기록된다. 앞의 그림 1의 경우에서처럼 기준파와 물체파를 다 평면파를 사용하여 두꺼운 필름에 기록을 하면 간섭무늬는 필름 내부에 층층이 평행으로 쌓여있는 평면을 형성할 것이다. 이러한 평면에 기준파를 입사시키면 브랙의 법칙에 따라 빛을 반사한다. ("마이크로파 브랙회절" 참조)

브랙의 법칙에 의하면 빛은 반사의 법칙에 따른 반사각으로 반사를 하되 2dsinθ=nλ식을 만족할 경우에만 빛이 강하게 반사되고 이 조건이 충족되지 않는 파장의 빛은 반사가 일어나지 않는다. 기준파는 n=1에 해당하므로 반사가 일어나 필름을 통과한 빛은 물체파와 같은 행동을 하게 된다. 이렇게 만들어진 홀로그램은 백색광으로 보더라도 기준파와 다는 파장의 빛은 통과를 하지 않아 정상적으로 상을 관측할 수 있게 된다.

그림 3. 기준파와 물체파가 평면파인 경우 두꺼운 필름면에 기록된 간섭무늬로 간섭무늬의 형태는 같은 간격으로 검은 면이 층층이 싸여있다. 이렇게 만들어진 필름에 기준파가 비추어지면 브랙의 회절법칙에 의해 회절 된다. 중앙 오른편에 필름의 내부에서 일어나는 파의 반사를 확대하여 그렸다. "마이크로파 브랙회절"의 그림 1과 같은 상황이고 이로부터 회절파는 촬영시의 물체파와 같은 것임을 알 수 있다.

실험장치

그림 4. 실험장치의 구성. He-Ne레이저에서 나온 빛이 공간필터(spatial filter)를 통과한 후 매끈한 구면파로 퍼져나간다. 50:50 빔분리기(beamsplitter)에서 두 파로 나누어진 구면파 중 하나는 물체에 조명되어 물체파를 만들고, 하나는 그대로 필름에 조명되어 기준파를 만든다.

(1) 광학대 : 바닥으로부터 오는 진동을 흡수할 수 있어야 한다. 홀로그램을 만드는 도중 진동을 받게 되면 상이 흔들려 간섭무늬가 기록되지 않는다.

(2) 레이저 : 5mW 정도의 레이저이면 가능하다. 레이저는 단색성이며 지향성을 갖고 간섭성이 뛰어나다. 레이저는 켜져 있는 시간을 조절할 수 있어야 노출시간을 조절할 수 있다.

(3) 공간필터(spatial filter) : 레이저는 간섭성이 좋아서 먼지나 렌즈의 흠 등에서 빛을 산란하여 조그마한 동심원 형태의 간섭무늬를 만든다. 이러한 것들을 제거하고 파면이 매끈한 평면 혹은 구면 형태를 만들어 주기 위하여 공간필터를 사용한다. 간단한 형태의 공간필터는 볼록렌즈로 빛을 수렴시키고 그 볼록렌즈의 초점 위치에 작은 구멍 놓아 이를 통과한 빛이 거의 구면파가 되도록 한다.

(4) 필름홀더 : 필름이 진동하지 않게 잡아 준다.

(5) 빔스프리터 : 거울에 반사된 빛을 둘로 나누어 주는 장치. 반은거울이나 특수 프리즘을 쓴다. 이때 나누어 지는 비율을 조절할 수 있으면 좋다.

(6) 반사경 : 반사도, 평면도가 좋은 것을 사용한다.

(7) 필름 : 종류에 따라 여러 가지가 있으며 현상방법도 다르다. Kodac과 AGFA에서 여러 종류가 나와 있다.

(8) 현상물품 : 현상액, 표백제, 침전제, 수조, 집게, 장갑, 온도계등이다.

(9) 현상시설 및 암실이 필요함.

실험방법

< 장치 만들기 >

(1) 광학대에 레이저를 고정시켜 설치한다.

(2) 공간필터를 레이저 앞에 설치하고 조절하여 맞춘다. 입사구 상하를 먼저 조절한 다음 방출구 상하를 조절하여 빛이 나가게 한 다음 거리를 조절하여 일정한 빛이나오게 한다. 이때 공간필터를 거친 빛이 약간 확산된다. 공간필터의 거리는 입사구와 방출구의 거리를 멀리한 다음 차츰 가깝게 한다. (방출된 빛이 회절되지 않게 잘 조정한다.)

(3) 공간필터 다음에 빔스프리터를 설치하여 빛을 두개로 나눈다. 필요에 따라서 물체에 가는 빛을 강하게 할 필요도 있다. (물체의 반사도에 따라 다르지만, 보통 물체의 밝기와 기준파의 밝기의 비를 5:1정도가 적당하다)

(4) 필름홀더를 설치한다. 이때 필름홀더의 설치에 따라 반사(reflection)를 이용하는 법과 투과(transmission)를 이용하는 방법이 있다. 기준파로 삼을 빛이 비스듬하게 비칠 수 있게 한다. (필름홀더는 산란이 적은 유리로, 필름을 잡아줄 수 있어야 한다)

(5) 물체를 필름앞에 설치한다. (이때 물체가 기준파의 빛이 필름에 들어가는 것을 막지 않게 하고, 물체와 필름간의 거리는 10cm정도가 적당하다)

(6) 물체에 빛을 비추어보고 필름을 통해서 잘 보이는가 확인 한다.

< 촬영 >

(1) 레이저가 켜져 있는 시간을 맞추어 놓는다. 사물에 따라 변화가 심하다. 특히 금속이 반사도가 좋아서 잘 찍히고 노출시간도 작아진다. 준비완료된 상태에서 주위를 어둡게 한다. (빛이 들어가지 않는 암실을 이용하는 것이 좋다.)

(2) 필름을 필름홀더에 끼운다.

(3) 일정한 시간동안 물체를 촬영 한다. 금속일 경우 15초가 적당하다. (노출시간은 물체와 필름에 따라 다르다.) 촬영도중 필름이 흔들리지 않도록 한다.

(4) 필름을 회수한다.

<현상>

현상하는 방법은 필름에 따라 달라진다. 이 실험에서는 AGFA BE75 T3 HD NAH film (101mm×127mm)을 사용 한다.

(1) 현상용액

developer용액 : part A와 part B가 있으며 이 두 가지는 원래 가루로 되어 있으며 각각 30^oC 물 250ml에 타서 용해한 다음 물을 부어 500ml를 만든다. ( 사용시는 10ml의 A용액과 10ml의 B용액을 물 180ml에 타서 사용한다. )

bleach용액 : 원래가루로 되어 있으며 30^oC 물 250ml에 타서 용해한 다음 물을 부어 500ml를 만든다.

rinse용액 : 액체로 되어 있다. ( 사용시 10ml를 200ml의 물에 타서 사용한다. )

(2) 수조를 5개 준비하여 developer, wash, bleach, wash, rinse순으로 배치한다.

(3) 빛을 없애고 필름을 꺼낸 후 수조 순으로 3분, 30초, 2분, 2분, 30초 동안 담근다. 다 만들어진 필름은 말린 후 필름지지대에 다시 세우고 원래 기준파를 입사시켜보면 필름너머로 원래의 물체 위치에 상이 보일 것이다. 이 상을 면밀히 관찰하여 상의 특징들을 알아보자.

질문

1) 그림 1(c)에서 n=1인 파가 원래의 물체파와 같은 방향으로 나가는 평면파임을 (b), (d)의 그림과 회절격자 이론을 이용하여 설명하라.

2) 그림 1(c)의 경우 기준파의 파장이 (a)의 기준파 파장보다 2배 클 때 n=1에서 회절되는 파는 어떻게 달라지는가.

3) 그림 2 (b)의 경우 기준파의 파장이 (a)의 기준파보다 파장이 2배 클 때 발산하는 파의 형태를 그려보고 이로부터 복잡한 물체의 홀로그램을 기준파의 파장을 달리하여 관측했을 때 어떤 변화가 있을지 생각해 보라.

4) 그림 3의 상황을 이론적으로 정리하여 설명하라.

5) 3차원의 모든 정보를 2차원에 기록할 수 없다는 원리가 있다. 홀로그래피는 이 원리에 배치되지 않는가?

6) 생활 주변의 물체중에서 잘 촬영될 만한 것과 잘 촬영되지 않을 것들을 10개 정도 예를 들어 보라.

홀로그래피 실험1
(투과형 홀로그램의 제작)

실험목적

이론

실험장치

실험방법

질문

참고도서