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진공증착

1. 실험목적진공증착의 원릴 알아보고 프로그램을 이용하여 박막을 설계 한 후 실제로 무반사 박막계를 제작, 측정하여 프로그래밍한 값과 비교 분석하여 본다.2. 실험 이론증착코팅의 기원증착 거울 코팅은 Pole와 Pringshen에 의해 1912년에 시도되었다. 그러나 더욱 효과적인 진공펌프 그리고 증착원을 위한 성분에 열을 가하는 텅스텐이 개발되었을 때인 1930년대까지 고밀도 증착기술은 거울 코팅을 만들어 태가우한 실제적인 방법이었다. 금속 필름을 반사하는 고밀도의 증착을 위한 만족적 기술의 진전을 향한 공헌은 Ritschl, Strong, Cartwright, William 그리고 Auwaeter에 의해 1930~1937년 사이에 있었다. 이 기간의 가장 중요한 진전은 순수하게 증착된 알루미늄 필름을 만들어 낸 실제적인 방법인 Strong의 발견이었다. 그리고 그것은 요사이 전면 거울 코팅을 위해 가장 광범위하게 사용된다. 거울의 유용함을 크게 증가시켰던 그런 더욱 최근의 진보는 거울 코팅, 선택적 반사 필터 거울 그리고 진공 자외선에서 크게 증가된 반사율의 반사 코팅의 발견의 반사율 증가면 필름, 그릭 보호층 개발이었다.진공 증착진공 증착이란 진공 중에서 금속이나 화합물을 증발시켜, 증발원과 마주 보고 있는 기판의 표면에 박막을 만드는 것을 말한다.금속이나 화합물이 증발할 만큼 고온으로 하면, 대기 중에서는 산화나 원하지 않는 반응이 일어나기 때문에, 그것을 억제하기 위해 진공이 필요하다. 또한 금속 등이 증발할 때 공간에 있는 가스 분자와 충돌하면 상대 표면에 직접 도달하지 않기 때문에 자유 공간을 확보하기 위해 진공이 필요하다. 반대로 질소가스 등을 진공 용기에 약간 도입하여 공간에 질소 플라즈마를 만들어 증기로 된 티타늄 등 금속 원장에 반응시키고, 기판에 증발원에 대하여 양의 고전압을 걸어 질화티타늄 등의 이온으로 증착시키는 반응성 진공증착으로 강한 박막을 만드는 방법도 있다. 진공 증착은 증발원으로부터 직접 증기가 날아가지만, 이온 주입법에서는 원통형의 고정된 스테이터 진공 용기 내에 들어있다. 피스톤 슬라이딩 밸브가 있고, 진공용기는 증기압이 낮은 오일로 채워진 배출밸브를 가지고 있다. 이 오일은 또한 펌프의 윤활제로 쓰이고, 로터와 스테이터 사이의 공간을 채운다.나. e한쪽으로 치우친 캠이 돌아감에 따라 스테이터 안의 피스톤이 회전한다. 그러므로 슬라이딩 밸브를 통해 나온 기체는 피스톤에 의해 압축되고 방출 밸브와 배출구를 통해 배출된다. 처음에는 이런 일들을 하는데 있어 복잡해 보인다. 그러나 사실 이것은 가장 간단한 산업용 진공펌프의 하나이다. 적절히 유지하고 사용하면 이런 형태의 펌프는 20년 또는 그 이상 작동될 수 있다. 기계장치가 수반됨으로써 펌프들은 통상 벨트로 움직인다. 기계적 마찰에 의한 열인 압축열은 냉각수 재킷으로 제거될 것이다. 이 펌프에서 로터와 스테이터 사이의 마찰은 문제될 것이 없다. 왜냐하면 로터와 스테이터 사이에 2~3천분의 1인치의 틈이 존재하기 때문이다. 압력의 한계는 약 10mtorr이다.다. 진공시스템의 이용이 펌프들은 1단 또는 2단의 모델로 만들어진다. 이들은 고진공 펌프의 포펌프뿐만 아니라 러핑펌프로도 사용될 수 있다.오일 회전 펌프(Rotary Vane, Oil-Sealed Mechanical Pump)그림 3. 오일 회전 펌프의 단면도오일 회전 펌프는 기체를 대기압보다 약간 높은 지점까지 압축함으로써 기체를 밖으로 방출시킨다. 이 펌프는 피스톤 회전 펌프보다 더 낮은 러핑압력을 더 얻는데 쓰인다. 펌프 모듈은 오일 통 내에 잠겨있다. 이 오일은 오염물질을 제거하기 위해 정제되어져야 한다. 오일은 다음 목적을 위해서 사용된다.ㄱ. 펌프의 냉각ㄴ. 윤활작용ㄷ. 대기압으로부터 봉인ㄹ. 2단계 배출 밸브의 개봉1. 구성오일 회전 펌프의 구조는 그림과 같으며 하우징(housing) 또는 스테이터와 스프링이 달린 베인을 가지고 오프셋, 로터, 흡입구 그리고 방출 밸브를 갖춘 배기구로 구성되어 있고 벨트로 작동되는 펌프의 속도 범의는 250에서 400rpm까지이무거운 고속 오일 증기분자들이 기체 분자들과 부딪칠 때 기체의 실직적인 배기가 이루어진다. 기체분자들은 아래로 부딪치고 증기 제트 흐름의 움직임에 의해 압축된다. 기체 분자들은 그것에 의해서 높은 압력으로 몇 단계 압축되며, 마침내 기계적 펌프에 의해 포라인을 통하여 밖으로 펌프 된다. 펌핑 과정에서 어떤 기체는 트랩 되거나 또는 오일 중에 포함되어 운반된다. 이렇게 트랩된 가스는 펌프 위에서 다시 증발될 수 있고 또 진공 용기로 들어 갈 수도 있다. 이러한 현상을 최소로 줄이기 위해서는 포라인을 계속 뜨겁게 유지하여 오염된 오일을 기화시키고, 이 기체가 기계적인 포펌프에 의해 제거된다.수직 제트 굴뚝 이외에 현대적인 펌프 설계에서는 배출 단계를 혼합하며, 이 단계는 펌프 몸통 밖이나 포라인 안으로 기체 분자들이 이동하도록 돕는다. 이러한 동작은 포라인을 높은 압력으로 하고, 다음에는 압축된 기체분자들을 충분히 제거하기 위하여 기계적인 포펌를 사용한다. 배출단계가 있는 펌프들은 일반적으로 포펌트에서 오일 증기 손실을 방지하기 위하여 포라인에 배플(baffle)을 사용한다.분류법어떤 확산 펌프들은 응축된 오일을 정제할 수 있도록 간단한 분류공정을 이용하게끔 설계되는데 이 공정이 분류법이다.응축된 펌프 오일 증기는 냉각된 벽으로부터 보일러로 돌아온다. 진행은 외부로부터 보일어의 중심까지 천천히 나아가고 온도는 빠르게 상승하며, 새로운 증기가 계속 형성된다. 확산 펌프의 오일은 오염 물질이나 분류를 분해시키거나 산출시킨다. 오랜 시간이 지나면, 효율적인 배기 속도를 줄이기에 충분한 분류들이 생길 것이며 새로운 오일을 가지고 펌프를 드레이닝(draining)하거나 리필링하는 것이 필요하다. 이것이 보일러나 제트장치의 특별한 구조가 사용되는 이유다. 만약 보일러나 제트굴꾹이 분류들을 분리시키도록 설계된다면, 이러한 분류들은 다른 기체와 함께 밖으로 배기될 것이다. 최초 오일의 청결은 이런 식으로 계속된다.이러한 설계에서 제트 장치는 다른 것들과 제 1 단계 수증기를 분로 10-4에서 10-10 Torr 사이에 사용되며 이 범위 이상에서는 정확한 수치의 30~50%이내의 정확도가 기대된다.이것은 또 high Vacuum 작업을 위해 가장 광범위하게 사용되는 Gauge이며 그 종류는 유리 용기, 금속 용기로 되어 있는 것 , 그리고 Chamber에 직접 설치된 Nude Gauge가 있다.Ionization Gauge는 Hot Filament, Grid 그리고 Ion Collector로 구성되어 있고 Control Unit는 전력, 증폭 그리고 Metering을 제공한다. 그리고 Hot Filament는 이온화하기 위한 전자를 공부하는데 Grid는 그 전자를 끌어당긴다. 또 Ion Collector도 Ion이 중성으로 될 때는 전자를 버린다. 이 과정은 작은 Ion Current를 만들게 되며 다시 Ion Current는 증폭된다.Hot Filament에 의해 방출된 전자들은 Positive Grid 쪽으로 이끌리게 된다. 그러나 많은 전자들은 느슨하게 감긴 Grid를 여러 번 회전하면서 결국은 Grid에 다시 충돌하게 된다. 그리고 Filament에 의해 방출된 전자의 양이 많아서 Gauge Tube안에 있는 Grid 주위에 항상 전자구름이 존재한다.Grid 주위를 오랫동안 회전하여 비행하는 가운데 전자들은 Gas 분자와 충돌하여 Gas 분자를 이온화시키고 따라서 더 많은 전자가 생긴다. 이 전자들의 비행이 오래될수록 충돌의 가능성이 커진다. 따라서 더욱 강하고 유용한 신호들이 생성된다.Positive로 이온화된 가스분자들은 collector로 끌리게 되는데 이것은 Chamber내의 압력에 비례하여 Ion current를 생성한다. 신빙성 있는 압력을 측정하기 위해서 Controller에 있는 Sensitivity selector는 Gauge Tube 의 감도와 똑같이 Set 되어야 한다. 만약 조화가 이루어지지 않으면 압력 측정을 잘못하게 될 것이다.Ion Gauge는 다른 Gauge와 마찬가지로 한계성이 있다. X-ray 제이다. 특히 합금을 만든다는 것이 큰 문제가 된다. 합금이 되면 융점이 떨어지고 증발원은 끊어지기 쉬워지며 여기에서 합금이 될 수 없는 조합을 선택해야만 하는데 그것이 불가능할 때는 증발원의 온도를 낮추던가 증발원 재료의 양을 박막재료의 양보다 훨씬 많게 하여 놓던가 하여 증발원의 소모를 조금이라도 억제한다.3. 전자빔 가열증착물질을 양극으로 하고 음극 필라멘트에서 전자를 수천 볼트로 가속하여 집중 전극을 통하여 증착 물질에 충돌시켜 전자의 운동 에너지를 열로 바꾸어서 증착물질을 국부적으로 가열하여 증발시키는 방법이 전자빔 가열이다.전자빔 가열의 일반적 이점은 열효율이 좋고 가열체와 반응하지 않으므로 높은 순도의 막이 얻어지며 단단한 막이 얻어진다. 그러나 증착물질에서의 방출가스에 의해 진공도가 올라가 방전을 일으키기 쉽다.4. 증기제트 산란법물론 경우에 따라서는 Ar과 같은 불활성 가스를 채워 넣어서 하는 경우도 있다. 이때는 증착물질의 평균자유 행로는 떨어지지만 확산에 의해서 퍼져나가기 때문에 오히려 기판에 균일한 박막을 입힐 수가 있다. 기판에 증착이 가능하고 불화성 가스이므로 산화될 염려도 없는데 이 방식을 증기제트 산란법이라고 한다.5. 유성회전법증기제트 산란법 이외도 기판에 균일한 박막을 입히기 위하여 기판을 회전시켜주는 경우가 있는데 회전방법은 지구의 자전과 공전처럼 한 원점에서 기판을 회전시킴과 동시에 그 원점을 또 다른 원점을 중심으로 회전시켜주어서 증착물질과 기판의 각 부분의 거리가 시간적으로 균일해지게 하는 방식이다. 이 방식의 이름은 유성 회전법이다.두께 측정1) 광학적 두께 측정 방법이 방법은 Substrate와 같은 조건으로 동시에 증착되는 Test Glass의 투과율 혹은 반사율을 측정하므로써 이루어진다. 광학적 박막 증착 중에는 그 박막의 광학적 두께의 증가에 따라 매 λ/4마다 투고 혹은 반사율이 증가하거나 감소하는데 이 형상을 이용한 것이 광학적 두께 측정법이다.(1) Quartz X-TAL 측정가장 빈번히 사용되는 것으로 수 λ

공학/기술| 2008.06.25| 20페이지| 3,000원| 조회(674)

진공증착, 코팅, Macleod, 맥클라우드

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빛의 회절

1. 실험 목적단일slit, 원형 개구, 사각형 개구에서의 Fraunhofer 회절과 Fresnel 회절 무늬를 관찰하여 회절의 성격을 이해한다.2. 이론1) 회절(Diffraction)회절 현상은 빛의 파동성을 입증해 주는 자연 현상 중 하나이다. 회절의 기초적 설명을 위하여 Huygens 원리에서 정의된 단위파의 개념을 도입하여 보자. 그것은 회절현상을 단위파들의 간섭현상이라고 볼 수 있기 때문이다. 단위파들의 간섭 효과는 한정된 파면에 기인한 것으로서 예를 들어 불투명한 물체에 구멍이 뚫린 슬릿의 경우에는 슬릿으로 빛이 통과할 때 슬릿 가장자리를 통과하는 단위파들은 이웃하는 단위파를 갖지 못하므로 슬릿을 통과한 빛은 어느 정도 범위를 가지고 퍼져나가며 방향변화를 경험하게 된다. 즉 광원으로부터 직진하여 슬릿에 도달한 빛은 장애물(슬릿)에 접하여 직진하던 광경로를 굽혀 방향변화를 일으켜 새로운 방향으로 빛이 퍼져나가게 된다. 이러한 현상을 우리는 빛의 회절이라고 볼 수 있다. 빛이 바늘구멍과 같이 아주 작은 개구를 통과할 때는 부채꼴 형상으로 파면이 연속적으로 퍼져 나가고, 그 퍼지는 정도는 장애물의 구멍이 작으면 작을수록 커지므로 스크린에 맺히는 회절 투영상도 마찬가지로 장애물의 구멍이 작을수록 커진다. 좋은 예로는 우리 주변에서 볼 수 있는 것으로 기하학적 그림자가 바로 회절현상의 한 예이다.그림 1. 조리개에서 파면의 형태회절현상은 Fraunhofer회절과 Fresnel회절 두 가지로 나누어 설명된다. 회절개구로부터 광원과 스크린이 무한대에 놓여있는 경우 얻어지는 회절 현상을 Fraunhofer 회절이라고 하고 한정된 거리에(회절개구로부터) 광원과 스크린이 또는 그 둘 중(광원이나 스크린) 어느 하나만 한정된 거리에 놓여있어 얻어지는 회절 현상을 Fresnel 회절이라고 한다.(A) Fraunhofer 회절, 광원과 스크린 둘 다 구멍에서 (B) 광원과 스크린이 가까울 때 수렴 렌즈를 두 개아주 먼 곳에 있다. 구멍에 입사해 들어가는 빛이나 사용하면 인한다. (6)식에 따르면 선광원에 의한 광파의 위상은 성광원의 중앙에 놓여진(로부터의 거리에 놓인) 점광원이 만드는 우상과 같다는 것을 보여준다. 결국, 상당히 긴 가간섭 선광원은방향, 즉, 전방으로 대부분의 복사에너지를 방출하는 한 개의 점광원으로 간주할 수 있다. 다시 말해서, 정광원의 복사는상의 원형파와 유사하다. 반면에이면는 작은 값이 되고,따라서 복사조도는 모든 β에 대해 일정하게 되고, 선광원은 구면파를 방출하는 점광원과 유사하다.이제 슬릿 또는 가늘고 긴 좁은 직사각형 구멍에 의한 프라운호퍼 회절 문제를 생각해보면, 슬릿은 길고 출사파의 파면은 슬릿 방향으로는 실직 적으로 방해를 받지 않으며, 슬릿의 양 끝 부분에 평행한 방향으로는 회절이 거의 일어나지 않기 때문이다. 따라서 문제는 z축을 따라 슬릿의 폭을 가로질러 배열된 무한히 많은 점광원에 의한 xz-평면 내의 광파를 계산하는 것으로 요약된다. 결국 프라운호퍼 근사에 의하여 각 미분요소가 만드는의 적분을 계산하기만 하면 된다. 그런데 이것은 또 다른 가간섭 선광원이므로 슬릿에 대한 완전해 는 앞에서 이미 유도한 것처럼(9)이 되고, 여기서(10)이며으로부터 측정된다. 여기서는 선광원의 길이가 D=b로서 짧다는 사실에 유의해야 한다. 즉는 크지 않으며 조도의 감소가 급격하더라도, 높은 차수의 보조 최댓값들을 볼 수 있다.가 0이 되는 복사조도의 극값들은, 즉(11)의 관계가 만족되는값에서 얻을 수 있다.인 경우, 즉(12)인 경우 복사조도는 최솟값 0을 갖는다. (11)식은 또한(13)인 경우에 만족되는데, 이 초월방정식의 해는 그림(1)과 같이 도해에 의하여 결정할 수 있다. 곡선두 식은 같은 값이므로 식 (13)이 된다. 이 극 값들은 식(12)의 인접한 두 개의 최소값 사이에서만 존재하므로,의 값에서 보조 최대값을 가진다.그림(1) 두 곡선의 교점은 식(13)의 해이다.(2) 이중 슬릿주요 최댓값의 위치는 항상 회절구멍의 중심과 일직선상에 있는 것처럼 생각할 수 있다. 그러나 이것은 일반분은(15)이 된다. 여기서이며, 앞에서처럼이다. 이 표현은 각 슬릿으로부터점에 도착한 두 전기장의 합이며, 각 슬릿의 전기장은 식(6)으로 주어진다.첫 번째 슬릿에서까지의 거리는이며, 해당 우상은이 된다. 두 번째 슬릿에서까지의 거리는로 표현할수 있으며,의 위상을 갖는 두 번째 사인함수에 해당된다. 2β는 어느 한 슬릿의 두 가장자리에서 출발하여 σ상의 점에 도달한 두 개의 평행광선 사이의 위상차 (kL)이다. 2α는 첫 번째 슬릿 상의 한 점에서 출발한 광선과 두 번째 슬릿의 대응되는 점에서 출발하여에 도달한 광선 사이의 위상차이다식(15)을 더 간단히 하면,가 되며 이 식에 제곱을 취하고 상대적으로 긴 시간에 대한 평균을 취하면 복사조도(16)을 얻는다. θ=0인 방향에서는 어느 한 개의 슬릿에 의한 선속밀도이고는 총 선속밀도이다. 4의 숙자는 이중 슬릿에서 한 개의 슬릿이 닫혀 있는 경우에 비하여 이중 슬릿의 전기장의 크기가 2배라는 사실에서 기인한다.그림4. 단일슬릿과 이중슬릿의 프라운호퍼무늬. (a) 단색광으로 촬영한 무늬. 희미한 가로 무늬는 전적으로 인하하는 과정에서 생긴 것이다.(b)슬릿간격이 b이면 이중슬릿은 폭이2b인 단일 슬릿의 회절무늬가 나타난다. 앞쪽으로 가장 가까운 첫 번째 곡선이다. 가장 멀리 떨어진 곡선은 두 슬릿사이의 거리가 a=10b일 때이다. 모든 이중슬릿 무늬의 첫 번째 회절 최소가 중심의 최댓값으로부터인 곳에서 나타남을 주의하라.(3) 다중 슬릿의 회절폭이 b이고, 중심 사이의 간격이 a인, N개의 길고, 평행하며, 좁은 슬릿에서 첫 번째 슬릿의 중심에 좌표계의 원점을 두면, 스크린 σ상의 한 점에서 총 광학장은로 주어지며, 전과 같이이다. 이 표현은 프라운호퍼 조건을 적용한 결과이며, 모든 슬릿은 원점 가까이에 있어야 하므로.r = R - zsinθ는 모든 슬릿에 적용된다.다중 슬릿에서 회절된 빛의 각도에 대한 선속밀도 분포함수는이다. I는 한 개의 슬릿에 의해 θ = 0인 방향으로 방출 된 선속밀도이고,I(0) = N2EE이므로I(0) =이고 만약 R이 전체 무늬에 대하여 일정하다고 가정하면이고 sinθ = q/R이므로 복사조도는 θ의 함수원형 개구에 의한 회절 무늬는 아래의 그림과 같다.원형 반점의 형태를 나타내는 중앙의 높은 최대 복사조도는 에어리원판(Airy disk)으로 알려져 있다. 첫 번째 어두운 고리의 반경 q은 에어리원판의 크기로 간주되며, q= 1.22스크린 σ상에 초점이 맞추어진 렌즈에 대하여 초점거리는 fR 이므로q1.22(6) 프레넬 회절광원이나 관측 스크린이 회절 조리개에 가까이 있어 파면의 곡률을 무시할수없을때의 회절은 프레넬 회절이다. 평면파가 아닌 구면파를 다루기 때문에 프라운호퍼 회절보다 수학적으로는 계산하기는 복잡하지만 관측하기는 쉽다.가. 프레넬 구역(zone)그림 10과 같이 광원 S로부터 관측점 P 까지 잇는 직선이 조리개 면에 수직인 경우를 생각하자, 점 O를 선 SP 와 조리개 면과의 만난 점이라 하고 조리개 면 위의 한 점 Q 까지의 거리를 R 이라 하자, 그러면 거리 PQS = r + r` 은 다음과 같이 표현 될 수 있다.여기서 h 와 h` 은 거리 OP 와 OS 이다. 만일 조리개 면을 반지름, λ : 파장, n = 1, 2, 3, …으로 주어지는 동심원으로 나눌 때, 각 영역들은 ‘프레넬 구역’이라고 부른다.나. 슬릿에 의한 Fresnel 회절폭이 L인 슬릿을 통과할 때 생기는 회절현상을 생각하기로 한다. 우선 광원으로부터 전파되어 오는 파의 파면이 슬릿을 통과할 때 광경로가 방향 변화를 경험하지 않고 회절현상을 관측하는 스크린과 만나게 되는 광로를 축으로 잡고 이 광로와 회절된 파와의 광로차를 결정하여야 된다.그림에서 회절파의 광경로 PTQ의 광경로 차는Δ=PTQ-PCQ (1)을 말한다. 여기서 T점은 파가 반경 PC를 가진 파면과 만나는 점이고, T점에서 축 PCQ와 수직하게 이어지는 선분을이라고 하자. Q점에서 C점을 잇는 길이를 반경으로 또 다른 하나의 파면을 상상할 수 있다.Δ ===(2)여기서라면 위의 식에서 광 결과적으로 위의 적분에 의하여 우리는 총 복합진폭을 점 Q에서,(13)을 얻을 수 있다. 이것은 앞서 각 환대의 회절파가 점 Q에서 관측되는 전체 회절현상에 미치는 영향에서 각 회절파의 진폭이 역부호로 나타낸다는 것을 다시 한 번 보여 준 것이다.마지막 환대에 대해서, 즉 θ=π/2일 때에는 K를 영이라고 볼 수 있기 때문에(14)로 줄여 쓸 수 있다. 즉 환대 회절판에 대해서는 회절파의 진폭의 총합은 첫 번째 환대에 의하여 생기는 회절파의 진폭의 1/2배와 같다.구면파에 대해서(15)이 성립되므로(16)로 쓸 수 있다. 여기서는 제2의 단위파들이 주어진 주기의 1/4만큼씩 제1 초기파의 진동과 위상을 바꾸어 가면서 진동한다는 것을 암시한다. 또 1/λ은 초기파 진동의 진폭과 제2의 단위파들의 진동 진폭의 비를 나타내 주는 것이다(즉 제2 단위파들의 진폭은 초기파의 진동의 진폭과의 비를 1/λ로 가정했다). 여기서 명기할 것은 위에 기술된 두 가지 가정, 즉 초기파와 제2의 단위파 사이에 1/4만큼씩의 위상변화와 1/λ만큼씩 진폭의 변화 밑에서 Fresnel-Huygens원리는 성립될 수 있다는 사실이다.예를 들어 첫 번째 환대만 남기고 모두 다 가려졌을 때 점 Q에서 회절무늬의 강도는(17)이 되며 여기서을 이용하면 우리는 쉽게 환형 회절판 (첫 번째 환대만 있는)에 의한 회절 무늬의 강도가 회절판이 없을 때의 강도보다 4배나 더 높은 강도를 가지게 된다는 것을 알 수 있다. 여기서 주의할 것은 파장의 함수 꼴로 나타난 진폭과 진폭의 자승에 비례하는 강도의 크기인 것이다. 다시 말해서 회절무늬의 강도는 회절파의 파장이 아주 중요한 변수가 된다는 것이다.또 한 가지는 경사요소 K가 Fresnel-Huygens원리에서는 정해지지 않은 채로 회절적분에 남아있다는 것을 명기할 필요가 있다. 환대회절판에 의한 회절현상의 설명은 회절현상에 대한 근사적인 설명으로 볼 수 있다.아래의 그림은 직사각형 구멍에 의한 프레넬 회절 무늬의 그림이다.(a)의 그림은 정사각형 구멍

공학/기술| 2008.06.25| 16페이지| 3,000원| 조회(2,626)

Fraunhofer회절, Fresnel회절, 프라운호퍼 회절, 프레넬 회절

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Laser 도플러효과

1. 실험목적진동수 변화에 따른 도플러 효과의 개념을 이해하고, 실험을 통해 진동수의 변화를 가져오는 요인을 알아본 후 진동수 변화에 따른 간섭무늬를 oscilloscope를 통해 관찰한다. 관찰한 data를 가지고 미소변위, beat수, 속도 등을 구한다.2. 실험이론1) 도플러 효과듣는 사람이, 정지해 있는 음원쪽으로 운동해 갈 때는 정지해서 들을 때보다도 나오는 소리의 진동수가 더 높게 들린다. 반면, 듣는 사람이, 정지해 있는 음원에서 멀어져 가는 운동을 할 경우에는 정지해 있을 때보다도 더 낮은 진동수의 소리를 듣게 된다. 또한 듣는 사람이 정지해 있고, 음원이 가까이 다가오거나 멀어져 가거나 하는 운동을 할 때도 비슷한 결과를 얻게 된다. 예를 들면 구급차가 "솔"이라는 음의 사이렌을 울리며 다가오면 "라"음에 가깝게 들리다가 멀어지면 "파"음에 가깝게 들리는 등의 변화가 발생한다.오스트리아의 도플러(Christian Johann Doppler, 1803-1853)는 1842년 발광체와 관찰자와의 상대운동이 발광색의 변화를 가져온다는 논문을 발표하였다. 이 현상을 도플러효과(Doppler Effect)라고 하는데, 이 효과는 파동현상 전체(빛, 소리, 물결 등)에 걸쳐서 적용되는 것이다. 1845년 네덜란드의 발로(Buys Ballot)는 뚜껑 없는 기차에 트럼펫 연주자를 태워서 이 사실을 실험적으로 검증하였다.2) 파원이 운동하는 경우(1) 기적을 울리면서 다가오거나 멀어지는 기차파원이 파를 발생시키면서 수평방향으로 움직이고 있다. 각각의 시간에 발생된 파면을 나타내는 동심원의 중심이 이동되어 있다. 지점에 따라 측정되는 파장이나 진동수의 값이 원래의 파가 가지고 있는 값과 다른 값으로 관측될 것이라는 것을 쉽게 알 수 있다.파원이 운동하는 경우의 도플러 효과 파원이 오른쪽으로 이동하고 있는 가운데 파를 발생하고 있다. 큰 원은 파원이 A 지점에 있을때(t=0) 낸 파면이고, 오른쪽으로 치우친 작은 원은 파원이 B 지점에 있을때(t=To) 낸 파면쳐지나가는 짧은 순간, 폭발음을 한번 들을 수 있다. 그림에서 이다. 한편 를 마하수(Mach number) 라 한다.이러한 충격파는 빛의 경우도 관측된다. 진공 속에서는 무슨 물체든 빛보다 빨리 움직일 수 없으니 이러한 일이 일어날 수 없다. 그러나 매질 속에서는 빛의 속력이 느려서 간혹 빛을 내는 하전입자의 속력이 그 매질 속에서의 빛의 속도보다 빠를 수 있다. 이를 체렌코프 복사(Cerenkov radiation)라 한다.3) 관측자가 운동하는 경우 : 다가가거나 멀어지면서 듣는 소리관측자가 움직일 때의 도플러 효과 파원은 움직이지 않아서 동심원의 파면을 형성시킨다. 이때 관측자가 파원을 향해서 다가가고 있을 때는 마루를 이루고 있는 파면이 관측자를 지나가는 시간간격이 짧아져서 진동수가 크게 관측되고, 반대로 관측자가 파원으로부터 멀어질 때에는 진동수가 작게 관측된다. 그림에서 관측자의 속도는 vo이고, 파의 속도는 v, 파장은 관측자의 운동에 관계없이 λ=λo이다.아래 그림은 파원은 고정되어 있고, 파원의 왼쪽에서 관측자가 다가가고 있다. 관측자의 속력을 라 하면, 관측자는 파동의 전파 속력을 로 실제값 보다 더 큰 값으로 관측하게 될 것이다. 한편 파면과 인접 파면 사이의 거리, 즉 파장은 관측자의 운동에 관계없이 원래의 값 으로 관측된다.관측자가 측정하는 파의 주파수를 라 하면 다음 같이 유도된다.(4)이므로(5)마찬가지로 생각하여 의 속력으로 관측자가 멀어지고 있는 경우는 다음과 같이 정리된다.(6)3. 실험장비He-Ne Laser :GlassOscilloscopefilterholderDetectorUSB DAQLab View4. 실험방법1) 그림과 같이 실험 장치를 구성한다.2) 레이저 앞의 유리를 약간의 반사율을 가진 유리로 사용한다.3) 디텍터로 받아들일 수 있는 빛의 양보다 빛의 세기가 크므로 빛의 세기를 조절할 수 있는 필터를 사용한다.4) 사용하는 유리는 레이저 빛을 반사시켜 레이저 안의 거울에 다시 반사되어야 하므로 유리에서 반사된 빛382,1.0317335,PM 8:23:43.383,1.0266336,PM 8:23:43.384,1.0495737,PM 8:23:43.385,1.0470238,PM 8:23:43.386,1.0087939,PM 8:23:43.387,1.0597640,PM 8:23:43.388,1.0470241,PM 8:23:43.389,1.0521242,PM 8:23:43.390,1.0521243,PM 8:23:43.391,1.0240844,PM 8:23:43.392,1.0164445,PM 8:23:43.393,1.0266346,PM 8:23:43.394,1.0495747,PM 8:23:43.395,1.0801548,PM 8:23:43.396,1.1005449,PM 8:23:43.397,1.0215450,PM 8:23:43.398,1.077651,PM 8:23:43.399,1.0521252,PM 8:23:43.400,1.0189953,PM 8:23:43.401,1.0521254,PM 8:23:43.402,1.0495755,PM 8:23:43.403,1.0368356,PM 8:23:43.404,1.0189957,PM 8:23:43.405,1.0011558,PM 8:23:43.406,1.0597659,PM 8:23:43.407,1.0444760,PM 8:23:43.408,1.0317361,PM 8:23:43.409,1.0750662,PM 8:23:43.410,1.0138963,PM 8:23:43.411,1.0393864,PM 8:23:43.412,1.0750665,PM 8:23:43.413,1.092966,PM 8:23:43.414,1.1081967,PM 8:23:43.415,1.077668,PM 8:23:43.416,1.0317369,PM 8:23:43.417,1.1030970,PM 8:23:43.418,1.0164471,PM 8:23:43.419,1.0648672,PM 8:23:43.420,1.082773,PM 8:23:43.421,1.0419274,PM 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공학/기술| 2008.06.25| 13페이지| 2,500원| 조회(537)

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Holography

1. 실험목적레이저를 이용하여 투과형 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 투과형 홀로그램을 제작한다.2. 이론1947년 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 곳에서자. 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 수은 벽면이 비스듬하여 반사파의 방향이 약간 기울어지면 마디나 배가 이루는 평면(마디면, 배면)이 기울어질 따름으로 같이 나타날 것이다.그림3. 반사형 홀로그래피의 기본 원리.그림 3에 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 때이렇게 만들어진 필름에 원래의 기준파의 파장과 같은 파를 비추면 브랙의 회절이론에 따라서의 조건을 충족하게 되어 그림 3의 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.3) 두꺼운 필름에 의한 상의 기록두께를 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.브랙의 법칙에 의하면 빛은 반사의 법칙에 따른 반사각으로 반사를 하되 2dsinθ=nλ식을 만족할 경우에만 빛이 강하게 반사되고있는데 반해 홀로그램이 담긴 사진건판에는 아무런 경치를 인식할 수 없고 회색의 무늬만 보이며 적절한 레이저 광의 조명이 있어야만 그 경치가 재생된다.(1) 파면의 기록사진에 의해서 물체의 상을 기록할 경우, 피사체에서 여러 방향으로 퍼지는 빛 중, 렌즈를 통과하는 일부분의 빛을 모아서 필름상에 결상한다. 이때, 피사체로부터 빛이 어느 방향으로 나왔는가 하는 정보는 상실되고 단지 렌즈의 중심에서 본 투영상만이 기록된다. 필름을 현상, 프린트해서 만든 인화를 관찰할 때는 기록했을 때와 관계가 없는 빛으로 조명하므로 빛의 파동이라는 생각은 완전히 단절되고 있다.감광재료가 파면을 기록할 수 있으면 상점과 감광재료면의 전후 관계가 기록될 뿐 아니라. 피사체로부터의 파면이 아무리 복잡해도 그대로 기록될 것이다. 빛의 강도에서 생각하면 렌즈로 결상하지 않는 완전히 흐릿한 분포에서도 파면을 기록, 재생할 수 있으면 피사체가 원래의 장소에 존재하는 것과 동일한 파면을 관찰할 수 있을 것이다.파면을 기록하기 위해서는 파면에 일정한 룰로 빛의 강도로서의 표지를 하면 된다. 이 기록에서 원래의 룰에 따라서 해독하는 방법이 있으면 원래의 파면이 재생된다. 이 수단에서 빛의 간섭과 회절 현상을 사용한다.하나의 평면파를 기록하는 경우를 보면 평면파의 진행방향과 일정한 각도의 방향으로 나아가는 평면파를 생각한다. 이 파동은 기록하려는 평면파와 파장이 같고 상호의 위상 관계가 시간의 경과에 대해서 변하지 않는 균일한 평면파로 한다. 이 파동을 「참조파」라고 한다. 기록해야 할 파동과 참조파를 겹치면 두 개의 파동의 산과 산, 골과 골은 서로가 강하게 하고, 골과 산은 서로가 약하게 한다. 시간이 경과하면 이들의 점은 움직여 가지만 그림에서처럼 각각의 직선 위를 움직이므로 빛의 진동 주기보다 아주 긴 시간 관측하면 공간에 강도 분포가 만들어진다. 이 시간적으로 평균한 강도 분포(간섭 줄무늬)는 파면이 진행해도 움직이지 않으므로 여기에 감광재료를 필요한 시간만큼 놓으면 파면의 정보를 기록할 수 면에 수직인 방향에 만들어지고, 그 간격 d는 파동이 이루는 각도 2θ가 커질수록 좁아지고 λ를 파장이라 하면d=λ/2sinθ 로 주어진다.감광재료는 일반적으로 두 개의 파동의 진행 방향에 대해서 임의의 방향에 놓이므로, 감광 재료면의 법선이 두 개의 파면의 진행 방향을 포함하는 면내에서 각 파동의 진행 방향이 이루는 각을 α,β라고 하면 감광재료면 위에서의 간격 D는 다음과 같이 된다.진행 방향과 그 진폭 및 위상이 장소에 따라서 다른 임의의 파면과 균일한 참조파의 간섭 줄무늬는 간섭 줄무늬의 방향, 간격, 위치, 콘트라스트가 장소에 따라서 다르다. 이것에 의해서 기록해야 할 파면의 특징을 기록할 수 있다.피사체의 한 점에서 퍼지는 구면파와 평면파인 참조파의 간섭을 생각해 보자. 구면파의 절평면위에서는 중심에서 떨어지는데 따라서 간격이 좁아지는 동심원의 모임의 간섭 줄무늬가 만들어진다. 여기에 감광재료를 놓으면 두 개의 파동의 위상관계에 의해서 반지름이 변화하지만 프레넬의 존 플레이트와 동일한 형태의 간섭 줄무늬가 기록된다.피사체의 다른 점에서의 구면파도 동일한 존 플레이트를 만들지만, 점의 위치가 옆으로 엇갈려 있으면 존 플레이트의 중심이 옆으로 엇갈리고, 감광재료로부터의 거리가 다르면 반지름의 변화 방법에 차이가 나온다(멀수록 간격이 가늘어진다). 일반 피사체에서 나오는 빛의 파면을 다수의 구면파의 모임이라고 생각하면 이것과 평면인 참조파의 간섭 줄무늬를 기록한 것은 다수의 존 플레이트가 겹친 것이라고 생각할 수 있다.이와 같이 간섭 줄무늬를 기록한 것을 「홀로그램」, 이 기술을 「홀로그래피」라고 한다.3. 실험장치1) 투과형그림 5. 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 .

공학/기술| 2008.06.25| 10페이지| 2,000원| 조회(411)

빛, Holography, 홀로그래피

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Fourier 변환 분광

1. 실험 목적- Michelson interferometer의 원리를 이해하고 간섭무늬의 변화를 관찰하여 빛의 파장을 구한다.- 레이저 공진기의 열적 팽창으로 생기는 무늬의 변화를 알 수 있다.2. 이론1) 간섭 현상빛은 입자성과 파동성을 띠고 있는데, 이중에서도 파동의 중첩과 관련된 특성들이 빛의 간섭현상에 기여한다. 광학적 의미에서 간섭이란 ‘빛을 적절한 방법으로 중첩시켰을 때 겹쳐지는 부분의 밝기가 두 빛의 밝기를 각각 합친 것보다 밝아지거나 어두워지는 현상’을 말한다. 일반적으로 간섭현상을 관찰하고자 할 때에는 하나의 광원에서 얻은 빛을 분리하다가 다시 합치는 방법을 사용한다. 이렇게 빛을 나누는 방법에 따라 간섭계를 구분할 수 있는데, 파동의 형태로 오는 빛을 2개의 개구(apature)를 이용하여 분리하는 법을 파면 분할법이라 하며, 빛을 반투명 거울 등을 이용하여 일부는 반사, 일부는 투과한 후 다시 합성하는 방법을 진폭 분할법이라 한다. 이번 간섭실험은 후자에 해당하는 진폭 분할법을 이용한다.2) 진폭 분할 간섭계이 종류에 속하는 간섭계는 빛살 가르개 또는 그에 해당하는 면을 이용하여 입사하는 빛을 두 갈래로 가르고 나중에 다시 이를 합치는 구조를 가지고 있다. 이 빛살 가르개는 파면의 부분을 나누는 것이 아니라 입사하는 빛을 서로 다른 방향으로 진행하는 두 개의 빛줄기로 나눈다. 이 두 개의 빛줄기는 입사한 빛 밝기를 나눈 상태, 즉 진폭을 나누어 가진 셈이다. 기름막에 의한 간섭무늬도 이 종류의 간섭 현상으로 보는데, 이 겨우는 2빛살 간섭 방법을 이용한다. 여기에는 마이켈슨간섭계 뉴턴고리간섭계를 들 수 있겠다. 파면분할식 간섭계는 파면을 둘 혹은 그 이상의 개수로 갈랐다가 다시 중첩시키는 구조로 되어 있다. 영의 실험이 이 부류의 대표적이라 할 수 있다.3) 마이켈슨 간섭계광원으로부터 하나의 입사광선을 생각하자. 이때 평면거울(유리 뒷부분에 반투과성 은도금이 되어 입사광의 일부는 거울을 투과하기도 하고 일부는 박막에서 반사할 수 있게함)이루게 된다. 거울 A의 경사도 45˚에 의하여 거울D의 영상이 거울 C와 평행하게 맺혀진다.이때 광경로 S1과 S2는 거울에서 반사되어 되돌아오게 되는데, 광경로 S1을 따라 되돌아오는 광선은 평면유리를 통과하여 마찬가지로 거울 A에서 반사되고, S2의 경우는 투과되어 결과적으로 거울 A에 의하여 두개의 파가 중첩된다. 이때 중첩된 파들은 관측하고자 하는 망원경의 초점면에 간섭무늬를 맺는다. 광경로 S2에 놓여 있는 거울 D를 λ/4만큼 움직이게 되면 무늬는 어둡고 밝고, 어둡고 밝은 순서의 공동 중심을 가진 환형 간섭무늬를 볼 수 있다. 광원의 파장은 거울의 위치 변화에 따라 얼마나 많은 간섭무늬가 이동되었는가를 세어서 알 수 있다. 여기서 평면 유리를 사용한 것은 유리 내에서 두 광경로가 같도록 해주기 위한 것으로 보정판이라고 한다.앞에서 언급한 것과 같이 입사 광선을 둘로 쪼개 주는 거울 A는 거울D의 영상이 거울 C와 평행하게 거울 C로부터 d의 거리만큼 떨어진 곳에 맺도록 입사광선과 각θ만큼 기울어지도록 놓여 있고 A의 역할은 하나의 입사광선을 두개의 광경로를 통해 전파되도록, 즉 S1방향과 S2방향으로 분리시키는 역할을 한다. 이때 각 θ=45°가 된다. 거울 C와 D에서 반사된 두 개의 광경로차는Δ = 2d cosθ이다. 여기서 d는 거울 C와 거울D사이의 길이 차이이다. 이들은 마치 필름 사이에 공기 매질을 가진 두께 d를 가진 얇은 필름의 경우의 복반사와 유사하다. 이들 두 광경로차는Δ = 2nd cosθ이나 공기는 n=1이므로 위와 같이 간단히 줄여 쓸 수 있다. 여기서 각 θ는 간섭계 축과 입사 광선이 이루는 각이다. 밝은 간섭무늬(환형)는Δ = 2nd cosθ =mλ (m=1,2,3, …)중앙에서는 물론 ≪θ이므로 위의 식은 더욱 간단히Δ = 2d = mλ로 줄여 쓸 수 있다. 일반적으로 중앙에서 바깥쪽으로 나갈수록 광경로차는 줄어든다. 또, 위에서 간섭무늬는 원형이다. 그 이유는 광경로차 Δ가 θ만의 함수이기 때문이다. 주어진 m과 λ와D의 영상이 가까워 갈수록 환형 간섭무늬의 사이가 점점 커지고 아울러 중앙 부분에 어두운 무늬의 원형이 점점 커져 간다.4) 이론거울과 광속분리기를 이용한 진폭분리형 간섭계에는 그 종류가 매우 많지만 가장 잘 알려져 있고 역사적으로도 중요한 간섭계에는 마이켈슨간섭계이다. 이 간섭계의 구조는 아래 그림-1과 같다.그림 1 마이켈슨 간섭계확대된 광원(예를 들면, 방전 램프 앞에서 간유리를 놓아 만든 광원)에서 나온 광파는 오른쪽으로 진행하여 O에 있는 광속분리기에 의해서 두 부분으로 갈라지고, 그 중 하나는 오른쪽으로, 다른 하나는 위쪽으로 진행한다. 이들은 다시 거울 M1 과 M2에 의해 반사되어 광속분리기로 되돌아온다. M2에 의해 반사된 파의 일부는 광속분리기를 통과하여 아래에 있는 검출기 쪽으로 가고, M1 에 의해서 반사된 파의 일부도 광속 분리기에 의해서 검출기 쪽으로 편향 된다. 이들이 서로 합쳐질 때 간섭무늬가 관찰될 수 있다.상하방향으로 진행한 광파는 O점을 세 번 통과하는 반면 좌우방향으로 진행한 광파는 오직 한번만 통과하는 것에 주목하라. 두 광파의 광로정을 같도록 하기 위해서는 광속분리기와 같은 두께의 유리판 C를 OM1 사이에 삽입해야 하는데, 이 유리판을 보상판 이라고 한다. 이 보상판은 45。의 각도로 놓여있으므로 O와 C는 서로 평행하다. 보상판이 사용될 경우 두 광파 사이의 광로정차는 실질적인 경로차에 의해서 발생된다. 한편 광속분리기가 갖는 분산효과 때문에 광로정차는 파장에 따라서 달라진다. 따라서 보상판이 없는 간섭계의 경우는 정량적 작업을 위해서 반드시 준단색광을 사용해야 한다. 그러나, 보상판이 삽입되면 광속분리기의 분산효과가 상쇄되기 때문에 넓은 주파수폭의 광원을 사용해서도 식별이 가능한 무늬를 얻을 수 있다.간섭무늬가 어떻게 형성되는지를 알아보기 위해서 장치를 구성하고 있는 광학소자들을 수학적 평면으로 살펴보자. 검출기의 위치에 있는 관찰자는 광속분리기 속에서 광원 Σ와 더불어 거울 M1 과 M2를 동시에 보게 될 것이다.한점 S에서 나온 광선을 따라서 그 경로를 살펴보도록 하자. S에서 나온 광파는 O에서 두 부분으로 분리되고 이들은 M1 과 M2에 의해서 반사된다. S에서 나온 광파가 두 거울 M1′과 M2에 의해서 반사되는 것으로 나타내었다. 또한, D점에 있는 관찰자에게는 반사된 두 광파가 각각 상점 S1과 S2로부터 나오는 것처럼 보일 것이다. 대개의 경우 점광원 S1과 S2는 가간섭성이므로 합성파의 선속밀도는 식으로 표현할 수있다. 그림에서 볼수 있듯이 두 광파의 광경로차는 2d cosΘ이며, 이에 대응하는 위상차는 k02d cosΘ가 된다. 또한, OM2를 따라 진행하는 광파는 광속분리기의 내부에서 반사되는 반면, OM1을 따라 진행하는 광파는 O점의 외부에서 반사된다. 만일 광속분리기가 단순히 코팅되지 않은 유리판인 경우 두 반사파 사이의 부가적인 위상차는 π라디안이다. 따라서, 두 반사파 사이에서 소멸간섭이 일어날 조건은(식-1)이 되는데, 여기서 m은 정수다. 만일 점광원 S가 이 조건을 만족한다면 반경 O′S인 원주상에 있는 모든 점들도 이 조건을 똑같이 만족할 것이다. 여기서 O′은 검출기가 위치한 축과 광원이 교차하는 점이다. 따라서, 그림 3과 같은 관찰자는 수정체에 중심을 둔 동심원 형태의 무늬를 보게 된다. 원무늬 전체를 관찰하기 위해서는 사람 눈의 구경이 작기 때문에 광원분리기 근처에 구경이 큰 불록렌즈를 놓아서 나오는 대부분의 광을 모아야 한다.만일 수은등과 같은 여러 주파수 성분을 갖는 광원이 사용될 경우, (식-1)식에서 알 수 있듯이에 따라서 위 조건을 만족하는 다른값들이 존재한다. 이 때문에 성분주파수 마다 각각의 다른 간섭무늬를 형성할 것이다. 이때은 광원의 가간섭거리 보다 반드시 작아야한다. 이것이 가간섭거리가 긴 레이저광을 이용하면 간섭무늬를 쉽게 볼 수 있는 이유이다. 이런 점은 일반적인 전구나 촛불에서 나온 백색광에 의해 만들어진 간섭무늬와 레이저광에 의해 만들어진 무늬를 비교하면 명확히 알 수 있다. 일반적인 전구나 촛불의 경우무늬가 하나씩 사라지면서 원무늬는 중심을 향해서 오므라든다. 많은 무늬가 사라지게 되면 남아있는 원무늬들이 스크린을 가득 채우면서 폭이 넓어진다. d=0가 되면 중심부의 무늬가 전체 영역을 가득 채우게 되는데, 광속분리기에 의한 반사과정에서 π라디안의 위상차가 생기므로 전체 스크린은 어두워진다. (광학소자가 불완전한 경우에는 이것이 관찰 되지 않을 수도 있다.) M2를 더 멀리 움직이면서 중심에서 원무늬가 다시 나타나게 되며 그 무늬는 바깥쪽으로 움직일 것이다.(식-1)식으로부터인 중심부의 어두운 무늬는 다음 조건을 만족한다.(식-2)이것은 특별한 경우이고, 중심영역이 간섭무늬의 최대값 또는 최소값 중 어느 것에도 속하지 않을 수도 있다. 레이저광 간섭계에서 흔히 볼수 있듯이 만일 d가 10cm이면,이므로은 거의 400,000 정도로 매우 커진다. 주어진 d값에 대해서 일련의 어두운 원무늬들은 다음 관계식을 만족한다.:(식-3)만일이고라고 두면, (식-3)식은 (식-1)식과 일치한다. 이제 p번째 어두운 원무늬의 각도위치는 (식-2)식과 (식-3)식으로부터를 소거하여 다음과 같이 계산될수 있다.(식-4)각도위치는 검출기가 위치한 축으로부터 특정한 어두운 원무늬까지 측정한 각도를 의미한다. d=10cm 인 경우 중심으로부터 6번째 어두운 원무늬에 대해서 p=6이므로 차수는 m=399,994 이 된다. 한편가 작다면,이므로, (식-4)식은 다음과 같이 쓸 수 있다.(식-5)위 식은 p번째 어두운 원무늬의 각도반경이다.그림 2는 서로 평행으로 진행하는 두 반사파의 행동으로 단순화하여 보여주고 있는데, 이 반사파들은 서로 만나지 않기 때문에 수렴렌즈를 사용하지 않고서는 결상되지 않는다. 사실상, 평행으로 들어오는 두 반사파의 결상은 무한대에 초점을 맞춘 관찰자의 눈에 의해서 이루어진다. 이와 같은 무한대의 위치에 결상되는 등경사무늬가 바로 하이딩거 무늬이다. 가간섭성 점광원으로부터 나온 광파의 간섭현상 비교해 보면 무한대의 위치에 결상되는 평행광선에 의한 간섭무늬 이

공학/기술| 2008.06.25| 7페이지| 2,000원| 조회(338)

레이저, 마이켈슨 간섭계, Fourier 변환, 공진기

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