1. 광학이란 무엇인가?

 

 

간단히 쓰면 광학은 빛(Light)의 근원, 이동, 검출을 다루는 과학이다.

Light : 일반적으로는 사람의 눈으로 검지 될 수 있는 전자기 복사를 의미한다.

"Electromagnetic Radiation"

빛은 아주 중요한 요소이다!
두뇌 인지과정의 주요정보는 시각으로부터 시작된다.

가령 여러분이 주변을 둘러보는 것만으로 다음과 같은 것들을 결정할 수 있다.

얼마나 많은 사람이 있는지, 내가 어디에 있는지, 여자와 남자의 분포라든지, 누가 키가 크고, 또 작은지 등.

만일 빛 이 없이 다른 감각(청각, 후각, 미각, 촉각 등)을 갖고 이런 정보를 모으려면 얼마나 오래 걸리겠는가?

한번 순간적으로 바라보는 것만으로 얼마나 많은 정보를 채울 수 있겠는지 생각해 보라!

빛을 통해 우리는 순간적으로 많은 정보를 얻을 수 있기 때문에 빛의 중요성을 무시할 수 없다!

 

 

아래의 예시를 살펴보자!

A: 우리들은 이미 많은 광학적인 것들과 친숙해져 있다.
- 안경, 콘택트렌즈, 핸드폰, TV화면
- 카메라, 쌍안경, 망원경, 현미경, 내시경 등

B: 보통 사람들이 일상적으로 접하게 되고 또 알고 있는 광학 장치들.
- 광통신, Optical fiber, LCD모니터
- X-ray 영상화 장치, TV모니터
- Laser scanner, CD Player

C: 일상생활과 자연 속에서 만나게 되는 광학 현상들
- 색은 어떻게 만들어지나? 무지개
- 파란하늘, 일몰시의 붉은 하늘, 신기루현상
- 비눗방울, 기름 막의 다양한 색

D: 눈에는 광학적으로 즉 시각적으로 보이지 않지만 광학이 이용되는 분야
- Laser 발전에 의한 산업적, 그리고 과학적 응용

- 각종계측 및 산업도구(drilling, welding, cutting cloth..)
- 컴퓨터 Memory chip, CPU, 각종 IC
- 수술, 측정 등의 의료분야

E: 과학에서의 빛 이용
- 빛(Laser)을 이용한 원자 연구
- 측정의 표준, 미세소자의 3차원 영상 측정
- 화학 및 생물학 분야의 발전에 기여

 

광학의 이해

 

-일반적으로 빛이 나타내는 현상은 기하광학, 파동광학, 양자광학의 세 범 주 내에서 기술할 수 있다.
-양자광학은 기하광학과 파동광학을 포함하고, 파동광학은 기하광학을 포함 한다.
-일반광학을 배우면 어떤 주어진 광학 현상이 포함되어있는 복잡한 관계에 대한 이해를 얻게될 것이다!
-관찰되는 임의 빛 현상을 "빛이 횡파’’이기 때문이라고 생각하거나 "빛이 광자” 이거나 또 다른 그 무엇 때문이라고 생각할 수 있게 된다.

빛을 통해 우리는 순간적으로 많은 정보를 얻을 수 있기 때문에 빛의 중요성을 무시할 수 없다!

 

 

 

"Ray Optics"
(빛을 파장이 아주 작은 파동으로 간주

"Wave Optics"
(빛을 횡파로 간주)

"Photon Optics"
(빛을 불연속 에너지를 갖는 횡파로 간주)

 

빛의 역사

빛의 역사는 곧, 빛은 파동인가 입자인가? 의 싸움이 연속이었다.

  Isaac Newton : (17세기)
- 저서 "Optics”에서 빛을 입자로 기술
- 입자라면 모서리부분 그림자가 선명해야 한다.
- 그러나 그 자신도 "Newton's rings”라 불리는 파동성에 의해 나타나는 간 섭무늬를 볼 수 있었다.

  Christian Huygens : (17세기, Newton과 같은 시대)
- 저서 "Treatise on Light"에서 빛을 Waves in ether로 기술했다.
- 이것에 기초하여 생각하면 일반적 파동 특성들처럼 두 파동이 함께 통과할 때 파동이 변형되어야 하나 변형되지 않았다.

  Thomas Young : (18세기, "Optics" 1 년 후)
-2중 slit 간섭실험으로 빛의 파동성을 "증명"하였다.
-파동이론의 성공은 20세기 가까이 까지 유지되었다.

  Augustin Jean Fresnel : (1821년)
- Young의 실험을 기술하기위해 Huygens원리를 사용했댜
- 빛의 횡파 특성과 편광 특성을 보여주고 (그 이전에는 종파로서 기술했다), 방해석의 복굴절현상을 설명했다.
- 경계면에서 편광 성분에 따라 투과되거나 반사된 크기를 Fresnel 방정식을 사용하여 유도하였다.

  Josef Fraunhofer : (1823년) 

- 맹의 회절에 대하여 연구하였다

  James clerk Maxwell : (1865년)
- Maxwell 방정식들을 사용하여 빛이 전기성분과 자기성분을 갖고 있다고 기술하고 전자기파 계열 중에 빛을 두었다.

  Albert Abraham Michelson 과 Edward Morley : (1887년)
- 빛을 사용하여 ether속의 지구운동 검출을 시도
- ether가 존재하지 않음을 증명했다.

  Albert Einstein : (1905년)
- 특수 상대성이론
- 20세기로 접어들면서 Wave/Particle 논쟁은 "Photon(광자)"개념으로 돌아갔다.
- 빛과 물질의 상호 작용 문제를 설명하기 위해서.

  Max Planck: (1900 년)
- 열복사를 이해하기 위해 빛이 불연속 광자들( discrete photons 각각 E=hv를 가짐)로 구성되었다고 가정함

- 이후 열복사, 난로, 전구 등에서의 빛 방출에 대한 복사법칙을 기술하였다.

  Albert Einstein: (1905년)
- E=hv를 갖는 광자에 기초하여 광전효과를 설명했다.

 

오늘날의 개념 "Wave-Particle duality"

-빛이나 물질들이 파동성과 입자성을 동시에 갖는다고 생각하고 양자역학을 전개한다.
-빛은 에너지가 입자처럼 양자화된 상태(연속으로 변하지 않는)로서 파동과 같이 행동한다.