빛의 편광 - 기초원리

빛은 전자기 파동으로서 전기장과 자기장이 진동을 하면서 전파되는 것이다. 이때 전기장이나 자기장은 서로 수직하면서 역시 진행방향에 수직으로 진동을 하게 되므로 횡파의 일종이다.

횡파의 경우, 방향이 진행방향에 수직한 진동방향은 2차원 면 위에 놓여 있을 수 있어 서로 수직인 두 성분으로 분해할 수 있다. 공간의 한 지점에서의 파는 그 평면상에서 같은 진동수로의 규칙적인 행동을 보이는데 그 양식을 파의 편광상태라 한다.

특히 빛의 경우는 전기장과 자기장 중, 물질에 더 큰 영향을 주게되는 전기장의 진동하는 방향을 편광방향이라 한다. 빛은 짧은 길이의 무수히 많은 파동줄기(wave train)가 모여서 형성된 것이므로 하나하나의 편광상태가 어떻게 집합되어 있는가를 고려해야 하므로 통계적인 처리가 필요하다.

한 줄기의 빛은 근본적으로 흑체복사나 전자의 전이에 의해 방출되므로 지속시간동안은 조화파의 모습을 하고 있고, 주로 편광방향이 변하지 않는 선형편광의 상태로 있다.

빛은 물질과 반응하여 편광상태가 바뀔 수 있다. 이를 이용한 여러 가지의 전자-광공학적인 장치에 대해 알아본다.

관련된 내용 : 현대물리실험의 빛의 편광 실험

아래 그림은 z 방향으로 전파되는 빛의 전기장과 자기장의 모습을 보여주고 있다. 전기장은 진행방향과 수직으로 진동할 수 있어 아래의 경우는 x-y 평면방향으로 진동할 수 있다. 그중 그림에서는 x 방향으로 진동하는 경우이다.

한편 자기장은 항상 전기장, 진행방향 과 수직하면서 아래 그림처럼 전기장-자기장-진행 방향이 오른손 좌표계를 이루게 되어야 한다. 더구나 자기장의 크기도 전기장의 크기와 비례하므로 빛의 편광상태를 말할 때에는 자기장의 배치는 전적으로 무시하여 말 할 수 있다.

빛이 진행하여 오는 방향으로부터 빛을 관측하면 오른편 그림과 같이 전기장과 자기장의 진동이 관측 될 것이다. 

위와 같이 어느 순간 형성된 전기장, 자기장은 아래 그림 처럼 진행방향 z축으로 빛의 속도로 이동하게 된다. 따라서 공간의 한 지점을 주목하면 전기장, 자기장이 x축, y축을 따라 진동하는 것을 알 수 있다. 아래 프로그램은 계속해서 다른 파장의 파동을 보여주고 있다.

아래 그림은 전기장이 y방향으로 진동하면서 전파되는 모습을 보여주고 있다.

역시 빛이 오는 방향에서 빛을 관측하는 경우이다.

위와 같은 양상으로 빛이 전파되는 이유는 전자기장이 맥스웰 방정식을 만족하기 때문이고, 빛이 이 전자기파동의 일종이기 때문이다. 따라서 전파, x선, 감마선 등 다른 종류의 전자기파도 당연히 빛의 편광의 특성을 같이 가지고 있을 것이다.

또한 위에서 예로 든 두 상태는 서로 독립적인 상태이고 또한 이 둘을 적당히 조합함으로서 z방향으로 진행하는 임의의 편광상태를 다 만들어 낼 수 있을 것이다. 이는 전자기장이 전자기파동방정식을 만족하는데 이 방정식이 선형이어서 중첩의 원리가 성립하기 때문이다. < "중첩의 원리" 참고>

앞에서 보인 두가지 파동은 그 진동방향이 변하지 않으므로 선형편광이라 한다.

전기장이 x 방향으로 진동하는 경우를 x 선형편광, y 방향 진동의 경우 y 선형편광이라 한다.

한편 이 x, y 선형편광을 적절히 조합하면 임의의 방향의 선형편광이나, 원형편광도 만들어 낼 수 있다.

아래 그림의 경우 어느 순간 z 축상의 전기장의 방향은 나선 형태로 그 방향이 계속 변하고 있다. 이 경우 그 진폭은 변하지 않아 마치 줄을 팽팽하게 잡고 손으로 빙빙 돌릴 때 생겨나는 파동과 유사한 양상으로 진행한다.

위 파동을 z 축상의 한 점에 정지 한채로 보면 다가오는 빛의 전기장은 점차 반 시계방향으로 회전을 하게 되는 것을 알 수 있다. 따라서 이러한 편광 상태를 좌향-원형편광이라 한다.

또한 위와 같이 어느 순간의 전기장, 자기장은 아래 그림 처럼 진행방향 z축으로 빛의 속도로 이동하게 된다. 따라서 공간의 한 지점을 주목하면 전기장, 자기장이 회전함을 알 수 있다. 그 회전 각속도는 바로 빛의 각진동수와 같아서 파장이 커지면 회전 각속도는 작아진다.

다음은 위의 경우와 반대로 전기장, 자기장이 회전하는 경우를 보여주고 있다.

이 경우, 전기장, 자기장이 시계방향으로 회전을 하고 있다. 따라서 이러한 편광 상태를 우향-원형편광이라 한다.

중첩의 원리에 의해 직교한 두 선형편광의 빛을 위상과 진폭을 달리하면 동일한 파장, 진동수의 다양한 편광상태를 만들어 낼 수 있다.

아래 그림은 x 선형편광된 빛과 y 선형편광된 빛이 위상을 달리하여 합성되어 좌향원형편광 상태를 만들어 내는 원리를 보여주고 있다. 두 파가 90^o의 위상차이를 가지고 있어 합성된 파동은 시간이 정지되었을 때 진행방향으로 나선형태로 꼬부라 들고 있다.

공간의 한 점에서의 전기장의 진동을 잘 관측해 보자.

아래에 수직으로 선형편광된 두 파가 합성되어 나타나는 여러 가지의 편광을 관측할 수 있는 있는 프로그램이 제시되어 있다.  아래의 절차에 따라 여러 가지 변화를 주어 다양한 편광상태를 만들어 보자.

1. 화면에서 색으로 표시한 부분은 마우스로 누르거나 끌어서 상황을 변경할 수 있다.

2. 테마는 선형편광과 원형편광이 만들어지는 미리 주어진 두 파동에 대한 초기 값을 자동으로 선택한다.

3. 오른편 아래에 있는 버튼 "운동"을 누르면 시간의 진행에 따라 파가 이동하는 모습을 볼 수 있다.

4. 그림이 나타나는 부분의 위 영역에는 두 개의 직교한 선형편광이 각각 보이고 있다.

5. "합성결과"를 선택하면 아래부분에는 그 두 파가 합성되어 나타나는 다양한 편광이 나타난다.

6. "테마선택"을 통하지 않고 바로 "위상차"와  "진폭"을 조절하여 두 개의 직교 편광을 조절할 수 있고, 그 결과는 즉시 화면에 반영된다.

7. "합성결과"를 선택한 상태에서 "흔적보기"를 선택하면 공간의 한 지점에서의 편광상태의 궤적을 볼 수 있다.

8. 모의실험을 끝낼 때 반드시 "멈춤"을 눌러서 운동을 끝내도록 하자.

우리의 주위의 광원은 그 광원의 수많은 원자들이 원자를 이루는 전자의 배치가 바뀌면서 빛을 내게 된다. 이 경우 원자들은 무질서한 상태에 있으면서 빛을 내기 때문에 각각의 빛의 줄기는 제멋대로의 선형편광과 원형편광이 어우러져 있다. 또한 원자가 내는 빛의 줄기의 길이도 수 cm정도에 불과하고, 또한 지속시간도 10^-8초 미만이 된다.

이렇게 완전하게 제멋대로의 편광상태의 빛의 집단을 편광되지 않은 빛(무편광광 : unpolarized light)라고 한다.

그러나 광원에 따라 발광원자가 어떤 질서를 이룰 수도 있어 특별한 편광의 빛이 약간 포함되어 있거나 100%일 수 있다. 편광되지 않은 빛과 특별한 편광상태가 혼합된 편광을 부분편광의 빛(partially polarized light)라고 한다.