빛의 편광 - 물질과 편광

 

 

편광자

 

특정한 방향으로의 편광된 빛만 통과시킨다.

편광상태가 무질서하게 섞여있는 "편광안된 빛"에서 특정한 방향으로의 선형편광된 빛을 선택적으로 투과시키는 광학기구를 편광자(polarizer)라고 한다.

이러한 물질은 여러 가지 종류가 있을 수 있으나, 아래 그림에서 보이는 것처럼 한 방향의 선형편광의 빛을 선택적으로 흡수하거나 굴절시켜 버려서 그 방향에 수직한 선형편광만을 통과시키기 때문에 편광자의 역할을 하게 된다. 그림에서 편광자에 빗금을 친 방향으로의 빛을 선택적으로 흡수한다고 하자. 이러한 배치는 편광자의 편광축이 y방향으로 놓여 있다고 말한다.

 

 

 

 

 

아래 그림에서는 두 편광자를 편광축이 서로 나란하게 놓은 경우이다. 이 경우 뒤의 편광자를 특별히 빛의 편광상태를 검증하는 용도로 쓴다는 의미에서 검광자(analyzer)라고도 한다.

 

 

 

 

아래 그림은 편광자와 검광자가 서로 수직한 편광축을 가지고 있어 최종적으로는 아무 빛도 통과시키지 않는 것을 보여주고 있다.

 

 

 

 

한 편광자가 그 편광축에 θ각을 이루는 선형편광된 빛이 들어오는 경우, 그 빛의 편광축 성분만이 통과하여 아래와 같은 투과 밝기의 식을 쓸 수 있을 것이다. 이를 말러스(Malus)의 법칙이라 한다. 이로서 빛의 파동량이 성분으로 분해되기도 하고 합성되기도 하는 벡터의 성질을 가지고 있음을 알 수 있다.

I(θ)  =I(0) cos2θ             <말러스의 법칙>

 

 

편광안된 빛이 편광자를 통과하는 시뮬레이션

아래 그림은 편광안된 빛이 편광자를 통과하는 것을 흉내내는 프로그램이다. "운동" 버튼을 누르면 왼쪽에서 편광되지 않은 빛이 오른쪽으로 이동하게 된다. 정사각형의 두개의 편광자가 투과하는 빛의 편광축 성분만을 통과시키게 된다. 한편 "편광자 추가" 를 체크하면 오른편에 직사각형의 편광자를 추가하게 되는데 위쪽의 수직(x축) 편광자를 통과한 빛은 이 편광자를 통과하지 못하고 모두 흡수되게 된다. 이렇게 빛의 편광성분을 검사하는 용도로 쓰이는 편광자를 특히 검광자라 한다.

 

 

편광자는 폴라로이드, 이색성 결정, 복굴절 프리즘 등 여러 가지가 있다.

다음 그림은 그 광물의 결정 구조상 한 방향으로의 편광된 빛을 강하게 흡수하여 그 광물의 색이 편광상태에 따라 두가지로 보이는 이색성 물질이 편광자의 역할을 하는 원리를 보여주고 있다. 이색성 결정중 준보석의 일종인 전기석(tourmaline)이 대표적이다.

 

 

 

하늘의 편광상태

 

산란에 의해 빛이 편광된다.

태양에서 방출되는 원래의 빛은 거의 편광되어 있지 않다.

그러나 하늘을 편광자로 관측하면 방향에 따라 부분편광, 혹은 선형편광 되어 있는 것을 알 수 있다.

이는 아래 그림에서 보이는 것처럼  대기의 공기분자가 태양빛을 산란시켜 이 산란된 빛이 그것을 처다보는 방향에 따라 편광을 달리 가지기 때문이다.

 

 

 

 

 

 

 

 

사진찰영기법 중에서 편광필터를 이용하는 법이 널리 알려져 있다. 편광필터를 렌즈 앞면에 부착하여 그 편광축을 적절히 돌려주어 하늘의 명암대비를 극명하게 하여 깊은 맛을 주는 사진을 촬영할 수 도 있고, 쇼윈도 내부를 촬영할 때 유리에서 반사되는 쓸데없는 빛을 제거하기도 한다. 이 원리를 생각해 보자.

 

복굴절

 

빛의 속도가 편광방향에 따라 다르다.

물질 속에서 빛이 전파될 때 빛의 전기장과 물질속의 전자가 상호작용을 하게된다. 한 지점에서의 빛의 전기장은 진동을 하므로 전자도 덩달아서 같은 진동수로 진동을 하여 이것이 새로운 전기장의 진동을 유발한다.  무수히 많은 원자, 분자의 전자가 내는 빛과 원래의 빛이 합성되어 물질속에서는 새로운 속도, 새로운 진폭으로 빛이 전파되는 것이다.

따라서 물질속을 진행하는 빛의 속도 등의 특성은 물질속에 있는 전자의 결합상태에 따라 달라진다. 만일 그 물질이 결정을 이루고 있으면서, 그 결정이 대칭의 모양을 하고 있지 않다면 빛의 진행방향, 편광상태에 따라 전파속도가 다를 것이다. 이러한 물질을 복굴절(birefringent)체라 한다.

다음 그림은 복굴절 물질중 결정이 하나의 회전대칭축 - 그 축을 광축(optic axis)이라 한다 - 이 있어 그 방향에 수직한 편광상태의 빛이 동일한 속도를 가지고 있는 단축성 복굴절체에 빛이 입사하는 경우를 보여주고 있다. 그림에서 편광상태에 따라서 진행속도가 달라 두 방향으로 굴절되는 빛의 경로와 편광상태를 보여주고 있다. 여기서 정상적인 굴절의 법칙을 따르는 빛을 정상광선(o-광선 : ordinary ray), 비 정상적인 굴절을 하는 빛을 비정상광선(e-광선 : extraodinary ray)라 한다.

 

 

 

 

이러한 단축성 복굴절체의 대표적인 것으로 방해석을 들 수 있다.

이 결정은 아래 그림에서 보듯이 꼭지각이 102o, 혹은 78o로서  직육면체에서 찌그려져 있어 편광상태에 따라 빛의 진행속도의 차이가 가장 큰 물질이 된다.

또한 이 결정은 아래 그림에 표시한 광축에 대하여 120o회전시 모양이 일치하는 대칭성이 있어 이것이 광축이 된다. 

 

 

 

 

 

 

광축으로 진행하는 빛은 하나의 속도를 갖는다.

광축의 성질

1. 편광방향이 광축에 수직인 모든 빛은 동일한 속도를 가진다. 따라서 그 광축 방향으로 진행하는 빛은 편광방향에 무관하게 동일한 속도를 가져서 복굴절의 현상을 볼 수 없다. (등방성 물질)

2. 결정이 한 축을 중심으로한 대칭성이 있을 때, 그 대칭축이 광축이 되는 단 한 방향으로의 광축을 가지고 있다. (단축성 물질)

3. 결정이 아무런 회전 대칭성이 없이 형성된 경우, 광축이 두 개 형성되나, 이 경우에는 정상적인 굴절의 법칙을 따르는 정상광선은 있을 수 없다. 이러한 물질은 각기 다른 세 개의 굴절률값을 가진다. (쌍축성 물질)

 

 

아래 그림에서 쌍축성 복굴절체에 대하여 파의 진행 방향에 따라 파벡터가 두 개의 값을 가지고 있는 상황을 그려준 파벡터 표면 그림이다. 효과적인 표현을 위하여 그 차이를 보통의 복굴절 물질보다 과장되게 설정하였다. 타원체가 찌그러진 듯한 두 개의 폐곡면이 광축(optic axis)이 통과하는 지점에서 접하고 있다. 따라서 이 방향으로 진행하는 빛은 편광에 관계없이 동일한 파벡터 값을 가짐을 알 수 있다. 또한 그 외의 방향으로 진행하는 빛은 편광방향에 따라 두 개의 파벡터 값을 가져서 두 속도를 가지는데 그 값은 방향에 따라 연속적으로 변하고 있음을 알 수 있다.

※ 파벡터의 방향은 파가 진행하는 방향을 나타내고, 그 크기는 파수(2π/λ)를 나타낸다. 파수(k)는 빛의 속도에 반비례하게 되어 굴절률에 비례한다. 아래 그림에서 곡면의 정 중앙에서 빛이 어느 방향으로 진행할 때 두 개의 k값을 가지고 있음을 보여준다. 즉 거기 비례하는 두 개의 굴절률 값을 가지고 있는 것이다. (그림에서 편의상 축의 눈금을 굴절률 그 자체로 하였다)

※ 그림에서 광축(optic axis)로 진행하는 빛은 한가지의 파벡터, 즉 하나의 굴절률을 갖고 있는 것을 보여주고 있다.  이처럼 광축이 X자로 두 개 있는 물질을 쌍축성 물질이라 한다.

 




 

 

단축성 양성의 파벡터 표면 자세히 보기(67k byte)

단축성 음성의 파벡터 표면 자세히 보기(57k byte)

쌍축성의 파벡터 표면 자세히 보기(68k byte)

 

 

 

광활성

 

꼬부라져 있는 물체의 분자구조때문에 편광면이 회전된다.

어떤 물질은 선형편광의 빛이 들어 왔을 때, 이의 편광방향을 연속해서 회전시키는 성질을 가지고 있다. 이를 광활성(optical activity)라 한다.

아래 그림의 물질은 파가 진행함에 따라 그 선형편광의 방향이 시계방향으로 회전하고 있다. 보통 빛의 회전을 이야기 할 때 빛을 마주보고 받아들이는 입장에서 방향을 이야기 하므로 이 경우 좌선성이라 한다. 

 

 

 

 

아래 그림은 수정이 그 결정 모양에 따라 좌선성과 우선성을 가지는 것을 보여준다.  좌선성의 수정과 우선성의 수정은 그 원자조성은 같지만 결합상태가 거울을 보는 형태로  서로 좌우 대칭이라고 할 수 있다. 이러한 좌우대칭결정(enantiomorphs)은 대부분이 그 상에 따라 좌선성과 우선성의 광활성적이다. 그러나 결정을 이루지 못하는 수정은 비활성적이다.

 

    

 

 

현대물리실험의 빛의 편광실험 중 설탕의 활성 측정 실험부분 참조 

 

전기,자기-광학 효과

 

전기장, 자기장이 물질의 편광성질을 바꾼다.

물질에 전기장이나 자기장, 심지어 변형을 가하면 그 결정의 대칭성이 변경되어 복굴절을 띄지 않는 물질이 복굴절 물질로 되기도 하고, 활성을 띄지 않는 물질이 활성을 띄기도 한다.

전기장에 의해 결정의 광학적 성질이 변하는 것을 전기-광학 효과(electro-optic effect)라 하고, 자기장에 의한 경우를 자기-광학 효과(magneto-optic effect)라 한다. 또한 변형에 의해 광학적 성질이 변하는 경우를 광탄성(photoelasticity)이라 한다.

 

 

파라데이 효과

활성과 복굴절을 하지 않는 물질은 등방성의 결정이나 분자결합에 질서가 없는 비결정의 물질일 것이다. 이러한 물질에 자기장이 걸려 있을 때 그 자기장 방향으로 진행하는 빛이 활성을 띄게 되는 것을 1845년 파라데이(M. Faraday)가 발견하였다.

편광방향이 회전한 각(θ)은 자기장의 세기(B), 물체의 두께(L)에 비례하여 다음과 같은 관계식을 쓸 수 있다.

θ= VBL

여기서 이 효과의 정도를 나타내는 비례계수  V를 Verdet 상수라 한다.


몇몇 물질의 Verdet 상수
 

물질

cm당 gauss당 각분(min. of arc)

소금

0.036

0.013

다이아몬드

0.012

납유리

~0.04

공기

6.27 x 10-6

 

 

 

다음 그림은 Faraday 효과를 이용한 광고립장치(optical isolator)를 보여주고 있다.

 

 

왼쪽에서 오른쪽으로 진행하는 빛은 편광자에 의해 수직으로 편광된 빛이 통과하여 파라데이 회전자(Faraday rotator)에 진입한다. 이 회전자는 자기장이 그림처럼 걸려있을 때 편광면이 좌로 45o회전(빛의 진행방향 쪽에서 봤을 때)하도록 자기장과 길이가 조정되어 있어 그림처럼 45o 로 선형편광된 빛이 출구의 편광자에 도달하여 그 방향으로의 편광축을 가지고 있는 편광자를 그대로 통과한다.

 

 

오른쪽에서 왼쪽으로 진행하는 빛은 편광자에 의해 45o 기울어진 선형편광의 빛이 되어 파라데이 회전자(Faraday rotator)에 진입한다. 회전자에 의해 다시 좌로 편광면이 45o 회전하여 수평방향의 선형편광이 되나 이 선형편광의 빛은 왼쪽의 수직편광축의 편광자를 전혀 통과할 수 없게 된다.

질문 : 위 그림과 반대로 자기장을 걸어주면 이 장치의 작동은 어떻게 바뀔까?

 

 

 

 

 

케르 효과

등방성의 물질에 전기장을 걸어주면 그 전기장을 광축으로 하는 복굴절 물질이 된다. 그리고 정상광선과 비정상광선의 굴절률의 차이는 전기장의 제곱에 비례한다.

 

 

 

액정에서의 전기-광학 효과 

액정(liquid crystal)은 마치 길다란 여송연 담대 모양의 분자 결합상태를 하고 있고 이것이 놓인 방향에 질서가 있어 결정이라 하지만 한편으로 그 놓인 위치는 액체처럼 이동할 수 있다.

이 액정은 다음과 같은 세가지의 종류가 있다.

네마틱 상 (nematic phase) : 이 액정은 방향이 한 방향이고 위치는 자유로이 변할 수 있다.

스멕틱 상 (smectic phase) : 방향이 한방향이고 위치는 평면상으로만 움직일 수 있다. 이러한 상태의 층이 층층이 쌓여 있다.

콜레스테르 상 (cholesteric phase) : 방향이 연속적으로 변하여 나선모양으로 배치되어 있다.

콜레스테르 상의 액정은 기본적으로 광학활성을 가지고 있다. 이 액정에 전기장을 걸어주면 액정분자가 전기장 방향으로 배열하기 때문에 활성이 없어진다. 이러한 양상으로 전기장에 의해 편광특성이 다양하게 변화되고 이를 이용하여 액정표시장치 (liquid crystal display :LCD)를 만들 수 있다. (뒤에 LCD의 작동 원리를 설명한다)

 

 

 

 

 

 

 

자기-케르 효과

자성체가 자화되면 광학활성을 띄게 되는 현상을 자기-케르 효과라 한다. 이를 이용한 자기-광학 기록장치가 있다. (뒤에 이를 이용한 자기광 기록장치를 설명한다)

 

 

 

편광의 응용 - LCD

 

액정의 전기-광학 효과를 이용한 표시장치이다.

아래 그림의 액정은 보통의 상태에서 활성을 띄고 있다. 오른편에서 편광되지 않은 자연광이나 조명광이 있을 때 표면의 편광자를 통과하여 선형편광 상태가 된다. 이 선형편광의 빛은 전압이 걸려있지 않은 액정을 통과하면 수직의 편광상태로 바뀌기 때문에 거울앞의 편광축이 수직인 편광자를 통과하여 거울에서 반사되어 되돌아 올 수 있다. 그러나 전압이 걸려있으면 거울앞의 편광자를 통과하지 못하여 반사되는 빛을 볼 수 없다.

 

 

 

 

 

 

 

질문 : 위 액정은 전압이 걸리는 경우 어두운 상태가 된다. 이와 반대로 전압를 걸었을 때 밝게 되도록 배치를 변경할 수 있을까?

LCD 판을 사이에 두고 여러 형태의 전극을 만들어 숫자나 글씨, 그림등을 표현할 수 있다. 또한 여러 색의 필터를 배치하여 색채도 표시할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

편광의 응용 - MO

 

자기-광학 효과를 이용하여 광자기 디스크에 대용량의 신호를 기록한다.

아래 그림들은 광자기 디스크에 데이터를 기록하고 다시 이로부터 신호를 읽어 내는 원리를 보여주고 있다.

자성체가 발려져 있는 디스크에 자기장이 걸려 있다.  그러나 상온에서는 그 자성체가 자극을 바꿀 수 있을 정도보다 온도가 낮아서 기록된 패턴이 계속 유지된다. 그러나 어떤 부위를 레이저로 순간적으로 가열하면 자성체가 걸려 있는 자기장에 자기쌍극자가 재 배열하게 된다.

아래 오른편 그림처럼 디스크는 회전을 하여 레이저가 조명되는 헤드는 나선운동을 하므로 원판의 각 부위에 시시각각의 데이터를 기록해 둘 수 있게 된다.

 

 

 

 

 

 

기록된 자성체

 

 

 

 

 

기록된 디스크로부터 신호를 읽어 낼 때에는 자기-케르(Kerr) 효과를 이용한다. 이는 자화된 물질이 광활성을 띠게 되는 것을 말한다.

아래 그림에서 보는 것처럼 조명된 레이저 빛은 자성체에서 반사되어 나올 때 그 자극방향에 따라 편광상태가 달라지게 되고 이를 검광자를 통하여 측정하는 것이다.