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광학
광학(光學, Optics)은 전자기파의 특성을 연구하는 응용물리 분야이다. 전근대에는 물론 일반적으로 빛이라 부르는 가시광선만 연구했지만 맥스웰에 의해 가시광선이 전자기파의 일종이라는 사실이 드러나자 광학은 전파부터 감마선까지의 모든 영역에 걸친 연구분야로 발전하기 시작했다. 또한 빛은 물리학에서 전자기파 자체를 가리키는 말이 되었다.
상당히 오랜 역사를 자랑하는 학문으로, 양자역학, 통계역학, 전자기학, 상대성 이론, 분광학과 밀접한 관련이 있다. 물리학의 역사 및 응용물리 분야 안에서 큰 비중을 차지한다. 산업적으로 응용범위가 넓으면서도 공대에서는 비교적 덜 전문적으로 다루는 반면, 물리학과에서는 심도있게 연구하는 학문이기 때문에 고체물리학과 함께 물리학도들의 취업을 책임지는 핵심 밥줄을 맡고 있다. 해외의 몇몇 대학들은 광학을 물리학 전공과 따로 구분하기도 한다. 이는 레이저, 무선통신, 광학 시스템 설계, 광측정, 기하광학, 양자광학 등 셀 수 없을만큼 많은 하위 분야가 뻗어있기 때문으로, 분야가 굉장히 폭넓고 깊다.
목차
개념 및 정의[편집]
광학(光學, optics)은 빛의 특성을 연구하는 물리학(物理學, physics)의 한 분야이다. 빛은 그 파장에 따라 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, x-선, 감마선 등으로 분류된다. 또한 빛을 이용하는 분야에 따라 기하광학(幾何光學, geometrical optics), 분광학(分光學, spectroscopy), 양자광학(量子光學, quantum optics), 비선형 광학(非線形光學, nonlinear optics)으로 나뉜다. 기하광학은 렌즈와 거울 등의 형상에 따라 빛의 반사와 굴절을 연구하는 학문으로 렌즈 설계 등에 응용된다.
분광학은 빛과 물질의 상호 작용을 연구하는 분야로써 빛을 물질에 쪼여 일어나는 산란을 통해 물질의 성질을 연구한다. 양자광학은 빛의 양자적 특성을 이용해 빛의 흡수와 방출을 양자전기역학(量子電氣力學, quantum electrodynamics)으로 분석하는 학문이다. 비선형 광학은 분광학의 일종이긴 하지만 레이저와 물질의 상호 작용에서 나타나는 비선형성을 이용한다는 점에서 분광학과 다르다. 여기에서 비선형성이라고 하는 것은 입사된 빔의 전기장에 굴절률 등에 선형적으로 반응하지 않고 주파수가 2배, 3배 고조파가 형성되는 것을 말한다. 이러한 비선형 광학의 특성을 이용하여 물질의 다양한 특성을 파악할 수 있다.
역사와 발전단계[편집]
광학의 역사는 인류가 빛을 기술적으로 이용해오기 시작한 기원전까지 거슬러 올라간다. 최초로 빛을 이용하는 데에 쓴 도구는 거울인데, 초기의 인류는 수면에 반사되는 빛을 거울로 사용했으리라고 추측된다. 현존하는 가장 오래된 거울은 아나톨리아의 차탈회위크 (Çatalhöyük)에서 발굴되었는데, 현재로부터 약 8000년 전에 흑요석으로 만들어졌다고 한다. 또한, 세소스트리스 2세의 피라미드 근처에 있는 노동자 거주지역에서 완벽한 상태의 거울이 발견되었다. 렌즈 또한 인류 역사 초기에 제작된 도구인데, 기원전 700년경에 아시리아에서 석영 등의 광물을 깎아서 만든 렌즈가 발굴될 정도라고 한다. 성경 등에서도 거울에 대한 묘사가 등장하는데, 이는 출애굽기 38장 8절에서 확인할 수 있다.
빛의 성질에 대한 연구가 처음으로 시작된 것은 고대 그리스 시기로 보인다. 피타고라스, 데모크리토스, 엠페도클레스, 플라톤, 아리스토텔레스 등의 많은 학자들이 빛의 성질에 대해 탐구하였다. 예를 들어 빛의 직진성과 반사의 법칙은 유클리드의 책 반사광학(Catoptrics)에서 설명되었는데, 헤론은 빛이 한 점에서 다른 점으로 갈 때 가장 짧은 경로를 따라 이동한다고 주장하여 이 현상을 설명하고자 했다. 다른 예시로 빛의 굴절 현상을 들 수 있는데, 클레오메데스(Cleomedes)는 빛의 굴절 현상을 정량적으로 해석했고, 프톨레마이오스는 다양한 매질 속에서 빛의 입사각과 굴절각을 기록하였다.
10세기 즈음에 이븐 사흘 (Ibn Sahl) 은 거울과 렌즈를 연구하며 최초로 빛의 굴절 현상을 도식적으로 묘사했다. 그 외 활약한 이슬람 학자에는 대표적으로 이븐 알하이삼이 있다.
고전광학[편집]
광학이 시작된 것은 17세기부터라고 알려져 있다. 1608년 10월 2일 독일의 안경 제작자 한스 리퍼세이(Hans Lippershey)에 의해 망원경이 소개되었다. 이 소식을 듣고 갈릴레오 갈릴레이(Galileo Galilei)는 직접 망원경을 제작하여 여러 천문 현상을 관찰하게 된다. 독일의 천문학자 요하네스 케플러(Johannes Kepler)도 자신의 망원경을 만들어 하늘을 관찰하였다. 또한 1611년 케플러는 전반사와 함께 작은 각도에서 굴절의 법칙도 발견하였다.
1621년 네덜란드 라이덴의 물리학자 빌레브로르트 판 로에이언 스넬(Willebrord van Roijen Snell)은 스넬의 법칙(Snell’s law)으로 굴절의 법칙을 발견하였다. 현재의 sine법칙으로 표현되는 스넬의 법칙은 르네 데카르트(René Descartes)가 다시 정리한 것이다. 수학자이자 법률가였던 피에르 드 페르마(Pierre de Fermat)는 최소 시간의 원리(least time principle)를 이용하여 빛이 도달하는데 최소시간의 경로를 택한다는 원리로 스넬의 법칙을 유도하였다.
빛이 입자냐 파동이냐 하는 것은 오랜 과학적 논쟁이었다. 로버트 훅(Robert Hooke)은 얇은 막에서 발생하는 간섭 무늬를 관찰하고 빛은 매우 빠르게 진행하는 매질의 떨림에 의해 발생한다고 제안하면서 빛의 파동설을 주장했다. 아이작 뉴턴(Isaac Newton)은 프리즘 실험을 통해 빛은 다양한 색깔을 갖는 미립자의 혼합이라고 주장하였다. 이 빛의 미립자는 에테르(aether)라고 하는 매질과 반응하면서 진동을 일으키고 진동의 정도에 따라 색깔이 나타난다는 것이다.
그러면서 붉은 색은 에테르의 가장 긴 파장의 진동이고 보라색은 가장 짧은 파장의 진동이라고 하였다. 또한 뉴턴은 렌즈식 망원경에서 나타나는 색수차를 보정하려고 애쓰다가 결국 실패하고 대신 1668년 뉴턴식 반사 망원경을 개발하였다. 같은 시기에 네덜란드 물리학자 크리스티안 하위헌스(Christiaan Huygens)는 빛이 구면파의 간섭으로 진행한다는 하위헌스의 원리로 빛의 파동설을 지지하였다.
이후 영국의 의사, 물리학자, 언어학자인 토머스 영(Thomas Young)은 이중 슬릿 실험으로 빛의 간섭성을 보임으로써 빛이 파동이라는 것을 보였다. 이렇게 오랜 빛의 입자와 파동설의 논쟁은 알베르트 아인슈타인(Albert Einstein)이 광전효과에서 빛은 파동성과 입자성이라는 양면성을 모두 갖고 있다는 빛의 이중성으로 해석함으로써 마무리 짓게 되었다.
전자기학과 양자역학[편집]
빛의 본성에 대한 탐구는 19세기 들어 전자기학(電磁氣學, electromagnetics)을 통해 밝혀지기 시작하였다. 1864년 영국의 물리학자 제임스 클러스 맥스웰(James Clerk Maxwell)은 가우스의 법칙, 마이클 패러데이(Michael Faraday)의 전자기 유도법칙, 샤를 어거스틴 드 쿨롱(Charles Augustin de Coulomb)의 쿨롱의 법칙, 앙드레 마리에 앙페르(André Marie Ampère)의 앙페르의 법칙 등을 수학적으로 정리하여 맥스웰 방정식을 세웠다.
맥스웰은 전기장과 자기장이 동일한 현상임을 증명한 것과 함께 전자기장이 바로 빛이라는 것을 밝혔다. 이로써 빛이라는 것은 전기장과 자기장이 공간에서 빛의 속도로 진동하면서 전파되는 것이라는 것이 밝혀졌고 파장에 따라 빛의 종류가 달라진다. 맥스웰은 전기-자기 매질로써 꿀벌 집 모양의 에테르를 가상적으로 도입했다. 꿀벌 집 세포 안에서 자기장이 회전하고 꿀벌 집 벽을 따라 전류가 흐르는 모양이었다. 처음에 그는 벌집모양 에테르가 일시적인 가설이라고 생각하였지만 후에 자기장에 의해 빛의 편광이 휘어지는 자기광학회전(kerr rotation)이 발표된 이후에는 에테르의 소용돌이 회전이 물리적 실재라고 생각하게 된다.
맥스웰의 전자기학이 물리학적 진실로 받아들여지게 된 것은 하인리히 루돌프 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz)의 전자기파 발견이 큰 역할을 했다. 맥스웰의 전자기학이 완성될 무렵 독일에서는 빌헬름 에드워드 베버(Wilhelm Eduard Weber)의 전자기학이 개발되고 있었다. 베버는 쿨롱의 법칙과 앙페르의 법칙을 수학적으로 역제곱법칙으로 해석하면서 전자기력이 무한대의 속도로 전파된다고 생각했다.
독일의 물리학자 헤르만 루드비히 퍼디낸드 폰 헬름홀츠(Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz)는 베버의 전자기학을 더욱 발전시키고 있었는데 그의 제자 헤르츠는 베버의 전자기학을 바탕으로 전자기효과를 검출하는데 실패하였다. 다른 주제로 박사 학위를 받고 칼스루헤 공대 물리학 교수가 된 헤르츠는 1888년 전자기파를 발견하는데 성공하게 된다. 이는 베버의 전자기파 이론이 아니라 맥스웰의 전자기파 이론이 옳았음을 보여주는 실험이었다.
맥스웰의 전자기학에서 에테르의 존재를 가정했는데 아인슈타인은 상대성이론에서 에테르의 존재를 부정했다. 1887년 미국의 앨버트 아브라함 마이컬슨(Albert Abraham Michelson)과 에드워드 윌리엄슨 몰리(Edward Williams Morley)는 유명한 마이컬슨-몰리의 실험에서 에테르의 존재에 대한 어떠한 증거도 발견하지 못하였다. 아울러 헤르츠의 전자기파의 발견으로써 빛의 파동성이 승리를 거두는 것처럼 보였다.
그러나 20세기 초 양자역학(量子力學, antum mechanics)이 탄생하면서 빛의 이중성이 드러나게 되었다. 아인슈타인은 광전효과를 통해서 빛은 특정 최소 진동수로 양자화 된 입자이며 입자성과 파동성을 모두 갖는다는 새로운 해석을 내놓았다. 그의 광양자 가설은 처음에는 많은 사람들이 믿지 못하였다. 아인슈타인은 그의 광양자 가설을 고체의 비열, 브라운 운동 등에 적용하여 이론의 정당성을 설파하고자 하였으나, 사람들이 받아들이지 않자 1911년 광양자 가설 중 일부를 유보하는 태도를 취하기도 하였다.
양자역학에서는 에너지가 양자화되어 있는데 1917년 아인슈타인은 레이저의 원리인 자연복사와 유도복사에 대해 논의하면서 광양자의 필요성을 다시 언급하였다. 그는 광양자가 에너지뿐만 아니라 특정 방향으로 향하는 운동량까지 갖는다고 하였다. 광양자의 운동량을 바탕으로 1923년 아서 홀리 콤프턴(Arthur Holly Compton)은 x-선과 전자와의 비탄성 산란 실험, 이른바 콤프턴효과라 불리는 실험으로 빛의 입자 파동의 이중성을 증명하였고, 이 실험으로 그는 1927년 노벨물리학상을 수상하게 된다.
레이저(LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)[편집]
레이저의 이론적 원리는 아인슈타인이 그의 광양자 가설을 이용하여 양자화 된 에너지 준위에서 빛의 자발방출(spontaneous emission)과 유도방출(stimulated emission)에 대한 이론에서부터 출발한다. 양자역학에서 에너지는 연속적인 것이 아니라 불연속적인 특정 에너지 준위가 있는데, 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 떨어지면 광자를 방출하게 된다. 이것이 외부 조건 없이 자발적으로 일어나면 자발방출이라고 한다. 유도방출은 그것보다 조금 복잡한 과정을 따르는데, 유도방출은 외부 광자에 의한 상호작용에 의해서 높은 에너지 준위에 있는 전자를 낮은 준위로 끌어내리는 전이를 유도함으로써 광자를 방출시키도록 하는 것을 말한다.
유도방출이 있으려면 높은 에너지 준위에 있는 입자의 수가 낮은 준위에 있는 입자의 수보다 많아야 한다. 외부 광자에 의해 방출되는 광자는 공명 현상에 의해 입사광자와 위상과 주파수, 편광상태가 같다. 따라서 유도방출되는 빛은 입사되는 빛과 간섭성(coherence)을 갖는다. 여기에서 중요한 점은 입사되는 광자 1개로 2개의 쌍둥이 광자를 만들어내기 때문에 이득(gain)이 있게 된다.
유도방출광은 레이저이지만 그것을 실제로 이용하기 위해서는 광 증폭(light amplification)을 이용해야 한다. 레이저에서는 광 증폭을 하기 위해서 공진기를 사용한다. 이것은 잘 연마된 평면거울을 마주보게 하여 몇 번 반사시키는 것으로 들뜬 원자의 수를 증폭하는 것이다. 유도방출광이 다음 들뜬 상태에 있는 원자를 자극하여 차례로 새로운 레이저광을 방출시켜 증록해 가는 과정을 만드는데, 이를 광 펌핑(light pumping)이라고 한다.
레이저가 개발되기 전에 먼저 등장한 것은 마이크로 파를 증폭시키는 메이저(MASER: Microwave Amplification by the Stimuated Emission of Radiation)였다. 1953년 미국 콜롬비아 대학의 찰스 하드 타운스(Charles Hard Townes), 제임스 파워 고든(James Power Gordon), 허버트 자이거(Herbert J. Zeiger)는 암모니아를 이용한 메이저를 처음 발진시켰다. 암모니아는 구조적으로 2개의 쌍극자 모멘트를 갖는데, 그 에너지 차이에 따라 높은 에너지 준위에 있는 암모니아 분자들을 일시에 자발방출 시켜서 강한 마이크로파가 방출되는 것을 관찰한 것이다.
이를 바탕으로 타운스와 아서 레오나르드 숄로(Arthur Leonard Schawlow)는 레이저의 이론을 발전시켰고, 1960년 시어도어 하롤드 메이먼(Theodore Harold Maiman)은 최초의 루비 레이저를 작동시켰다. 레이저의 개발로 타운스는 1964년 노벨물리학상을 수상하게 된다. 레이저는 레이저 포인터로부터 섬세한 외과수술, 광통신, 무선통신, 디스플레이 및 CD/DVD 등의 저장 장치, 바코드 리더, 프린터, 홀로그래피, 각종 계측장치 및 기기가공에 이르기까지 현대사회에서 실로 다방면에 이용되고 있다.
양자광학과 양자정보[편집]
양자광학은 빛의 양자적인 특징, 즉 광자를 이용하여 고전 전자기파 이론으로 설명이 불가능한 원리를 이용하여 빛과 원자와의 상호 작용 등을 연구하는 분야이다. 양자광학의 중요한 연구주제는 양자중첩(quantum superposition)과 양자얽힘(quantum entanglement) 현상인데, 이들은 최근 양자정보(quantum information) 분야의 핵심 개념이다. 양자얽힘에 대한 개념은 1935년 아인슈타인, 보리스 포돌스키(Boris Podolsky), 네이선 로젠(Nathan Rosen)이 EPR 패러독스라는 양자역학의 모순을 밝히기 위해서 제안한 모델에서부터 출발한다.
EPR 사고실험에 따르면 양자상태 A와 B가 서로 양자역학적인 얽힘상태에 있게 되면 A에서 측정되는 결과가 B에 즉각적으로 작용한다는 것으로써, 상대성이론에서 제한하고 있는 빛보다 빨리 달릴 수 없다는 것에 위배된다는 것이다. 그러나 1964년 존 스튜어트 벨(John Stewart Bell)은 벨의 정리라는 것에서 고전역학(古典力學, classical mechanics)에서 반드시 만족해야 하는 부등식을 양자역학에서는 위배할 수 있다는 것을 보임으로써 양자역학의 무모순성을 증명했다.
최근 양자광학 및 양자정보 분야에서 활발히 연구되는 주제는 광자들 간의 양자얽힘상태에 의한 양자간섭(quantum interference) 현상, 비고전 광원의 개발 및 정량화 방법, 광자기반 양자정보시스템 구현, 단일 및 얽힘 광자를 이용한 양자측정, 고체 및 원자기체를 이용한 양자메모리 개발 등이다. 이러한 연구들은 아직 초기단계로써 많은 학문적 난제들이 산적해 있으며 이것이 응용된다면 양자연산 등에 획기적으로 이용될 수 있다.
분광학[편집]
분광학은 빛과 물질의 상호 작용을 연구하는 분야이다. 뉴턴이 프리즘을 이용하여 빛이 7가지 색으로 분해할 수 있다는 결과는 분광학의 시초이다. 빛이 물질과 반응하여 물질에서 방출되거나 흡수되어 나타나는 스펙트럼을 분석하여 물질의 상태를 알아낼 수 있는 것이다. 이때 이용하는 빛의 파장에 따라 적외선 분광법(IR: Infrared Spectroscopy), x-선 분광법(XRF: X-ray Florescence), 자외선/가시광선 분광법(UV-ViS: UltraViolet/Visible Spectroscopy) 등이 있다.
그 중에서 광학 분야에서 많이 사용하고 있는 것은 레이저를 이용한 레이저 분광학(Laser Spectroscopy)이다. 레이저 분광학은 레이저의 직진성, 좁은 선폭, 파장 가변성, 결맞음, 고출력이라는 좋은 특성을 이용하여 원자 분자들의 에너지 준위를 측정하고, 구조를 분석하며, 화학적·물리적 반응을 연구하는 분야이다. 대표적인 빛과 물질의 상호 작용에서 나타나는 현상은 흡수, 형광, 이온화 과정들이 있는데 레이저의 분광신호를 발생시키는 방법에 따라 이를 이용하여 흡수 분광학, 형광 분광학, 이온 분광학, 발광 분광학, 라만 분광학 등으로 나뉜다.
분광학의 기본 원리는 바닥상태에서 들뜬 상태로 원자나 분자들을 전이시키는 과정에서 발생하는 정보를 측정하여 원자나 분자의 내부 구조 및 에너지 준위 등을 연구한다. 최근에는 고출력 펨토초 레이저를 이용하여 매우 짧은 시간에 강력한 신호를 관찰하여 화학반응 등의 짧은 시간 동안에 일어나는 동역학을 시간 단위로 찍어 동영상으로 연구하는 등의 최첨단 기법들이 동원되고 있다.
주요 용어[편집]
- 가우스의 법칙: 가우스의 법칙은 전하에 의해 만들어지는 전기장의 에너지를 나타낸다. 이는 본질적으로 쿨롱의 법칙과 같은 결과를 나타내게 된다. 그러나 가우스의 법칙은 두 개의 전하에 작용하는 힘을 계산하는 쿨롱의 법칙과 달리 하나의 전하만을 고려할 때에도 그에 따른 전하량을 계산할 수 있다.
- 가우스 자기법칙: 자기는 언제나 N극과 S극이 동시에 존재하므로, 닫친 곡면을 지나는 자기량은 곡면 안으로 들어가는 것과 통과하여 나오는 것이 언제나 같게 된다. 자기력은 벡터이기 때문에 들어가는 자기량과 나오는 자기력의 합은 언제나 0 이 된다.
- 패러데이 전자기 유도법칙: 도선 주변에서 자기장이 변화하면 전류가 생기는데, 이렇게 전류가 발생하도록 하는 힘을 기전력이라고 한다. 패러데이의 전자기 유도법칙은 자기 선속 밀도의 변화와 기전력의 관례를 수리적으로 정리한 법칙이다.
- 앙페르 회로법칙: 앙페르는 전류 주변에 흐르는 자기장의 세기를 예측할 수 있는 수리 모형을 만들었다. 하지만, 앙페르가 만든 방정식은 불완전한 면이 있었기 때문에 맥스웰은 이를 개선하여 새로운 방정식으로 대체하였다. 이 때문에 수정된 앙페르 회로법칙은 앙페르-맥스웰 회로법칙이라고 불리기도 한다.
- 광전효과: 금속 등의 물질이 고유의 특정 파장보다 짧은 파장을 가진(따라서 높은 에너지를 가진) 전자기파를 흡수했을 때 전자를 내보내는 현상이다.
- 양자화: 물리량이 연속적인 것이 아니라 셀 수 있는 양이 되는 것으로 예를 들어 전자는 전하 e로 양자화 된 양이다. 양자역학에서 에너지는 연속적인 것이 아니라 특정한 에너지 준위만 허용하게 되어 양자화되어 있다.
- 편광: 전자기파가 진행할 때 전기장이나 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상.
- 자기광학회전(kerr rotation): 전기장 또는 자기장에 의해 굴절률 또는 편광이 바뀌는 현상을 말한다.
- 역제곱법칙: 전자기력과 쿨롱의 법칙, 빛의 세기 등에서 크기가 거리의 제곱의 반비례하는 것이다.
- 위상: 반복되는 파형의 한 주기에서 시작점의 각도 혹은 어느 순간의 위치이다.
- 주파수: 주기적인 현상이 단위 시간 동안 몇 번 일어났는지를 측정한 값이다.
- 간섭: 파동이 위상을 갖기 때문에 파동이 만나면 진폭이 보강되거나 상쇄되는데 파동이 합해지거나 약하게 되는 현상이다.
- 회절: 빛이 장애물에 부딪혀 퍼지는 현상이다.
- 들뜬 상태: 양자역학의 특정 에너지 준위에서 전자 등 입자가 높은 에너지 상태에 위치해 있는 것이다.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
