홀로그래피 실험2 |
홀로그래피 실험2 |
실험목적 |
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레이저를 이용하여 반사형 홀로그램을 제작하고 이로부터 파면에 대한 정보를 필름에 기록하는 원리를 파동의 간섭성으로부터 이해한다. 또한 이렇게 만들어진 홀로그램을 레이저로 조명하여 입체상을 재생하여 그 원리를 알아낸다. 이 실험에서는 홀로그래피의 여러 방식 중 백색광으로도 입체상을 볼 수 있는 반사형 홀로그램을 제작한다. |
이론 |
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< 반사형 홀로그래피의 원리 > 기준파와 반대되는 위치에서 물체파를 비추어 주면 서로 마주보고 다가오는 두 파는 파가 합성되어 두 파가 겹쳐지는 영역에서 정상파가 형성될 것이다. 기준파에 대하여 물체파가 완전히 반대방향으로 놓여 있으면 그 파면과 같은 방향의 파면을 가지고 있고 공간적으로 파가 존재하지 않는 마디가 생길 것이다. "정상음파 실험" 에서의 그림 2에 보인 것은 음파가 벽면에 완전히 반사하여 입사파와 반사파가 만들어 주는 정상파이다. 이 마디(node) 와 배(antinode)의 위치는 변하지 않는다. 이러한 상황은 벽면이 비스듬하여 반사파의 방향이 약간 기울어지면 마디나 배가 이루는 평면(마디면, 배면)이 기울어질 따름으로 같이 나타날 것이다.
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그림 1. 반사형 홀로그래피의 기본 원리.
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그림 1에 나타낸 것처럼 기준파는 필름면에 수직으로 비추어 지고 물체파는 필름의 뒷면에서 기준파에 대하여 θ만큼 기울어져서 비추어지는 것을 생각해보자. 두 파가 겹쳐지는 부분에 만들어지는 정상파의 마디가 이루는 평면(마디면)도 약간 기울어진 평면이 되는데 그 기울어진 각도는 물체파 파면이 기울어진 각 θ의 반일 것이다. 배의 위치에서는 필름이 노광되어 서로 나란한 평면들로 구성된 무늬가 기록될 것이다. 평면들의 면 간격은 빛의 파장을 λ라 했을 때
이렇게 만들어진 필름에 원래의 기준파의 파장과 같은 파를 비추면 브랙의 회절이론에 따라서
의 조건을 충족하게 되어 그림 1의 아래 그림에서 보이는 것처럼 원래의 물체파가 재생된다("마이크로파 브랙 회절"에서의 브랙의 법칙에서의 각 θ는 여기서 (90-θ/2)이다). 그러나 기준파의 파장을 다르게 하면 브랙의 회절조건에 어긋나게 되어 물체파가 생기지 않는다. 즉 백색광으로 조명을 하여도 기록시 사용한 파장의 빛만 강하게 반사하므로 상을 볼 수 있다. 물체파가 점광원에 의한 것이든 여러 점광원이 중첩되어 물체의 형상을 한 것이든 무수히 많은 평면파가 합성된 것으로 이해 할 수 있으므로 쉽게 임의의 물체의 영상이 입체로 재생되어 보임을 이해할 수 있을 것이다. |
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실험장치 |
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그림 2. 실험장치의 구성. He-Ne레이저에서 나온 빛이 공간필터(spatial filter)를 통과한 후 매끈한 구면파로 퍼져나간다. 50:50 빔스프리터(beamsplitter)에서 두 파로 나누어진 구면파 중 하나는 물체에 조명되어 물체파를 만들어 필름의 앞에 조명되고, 하나는 그대로 필름의 뒷면에 조명되어 기준파를 만든다.
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(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 |
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기본적으로 "홀로그래피 실험 1"의 경우와 같다. 광학기구의 설치 상황은 그림 2에 보인 것처럼 약간 달라진다. 그리고 상을 재생할 때에는 관측하는 쪽으로 기준파를 비추어 그 기준파가 반사되는 것을 보게 된다. 물체와 필름간의 거리는 투과형보다 짧게해서 5cm정도가 적당하다. 그리고 노출 시간은 거리가 가까우므로 10초 이내가 적당하다. |
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질문 |
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1) 이론에서 설명한 상황을 수식을 쓰지 말고 작도로서 검증해 보라. 2) 홀로그래피의 여러 형식들을 조사하여 비교 설명하라. 3) 홀로그래피 간섭이 무엇인가? 4) 홀로그램으로 만들 수 있는 광학 소자들을 조사해 보라. |
참고도서 |
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(1) "레이저와 홀로그래피" W.E.칵 지음 이상수 옮김 현대과학신서 (2) "현대광학" 김 종오 지음 과학서적센타 5장 (3) "HOLOGRAPHY HAND BOOK" Fred Unterseher, Jeannene Hansen, Bob Schlesin 공저 ROOS BOOKS |
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