편광-가상실험

 

 

| 파동의 구분 |

매질의 한 지점에서 진동이 발생했을 때 진동은 주변 매질로 전달되면서 주위로 퍼져 나간다. 이때 매질의 진동 방향과 진동이 전달되는 방향인 파동의 진행 방향을 비교하여 파동을 횡파와 종파로 구분할 수 있다.

횡파는 매질을 상하로 진동시키며, 매질의 진동 방향과 수직으로 진행한다. 위 그림과 같이 횡파의 진행 방향에 슬릿이 있다고 가정해 보자. 슬릿의 방향이 매질의 진동방향과 같지 않다면, 횡파는 더 이상 나아가지 못한다. 하지만 종파의 경우는 다르다. 종파는 진행 방향과 진동 방향이 같으므로 슬릿의 방향과 관계없이 나아갈 수 있다.
빛의 경우에는 빛이 종파인지 횡파인지 어떻게 알 수 있을까?

 

| 편광 |

한 개의 편광판을 이용하여 물체를 관찰하면 편광판을 사용하지 않을 때보다 약간 어둡게 보이지만, 편광판을 돌리더라도 밝기에는 변화가 없다.
그림과 같이 한 개의 편광판을 추가하여 두 개의 편광판을 서로 겹쳐 놓고 그 중 하나를 돌리면서 물체를 관찰하면 물체가 보였다가 안보였다가 한다.

 

자연광은 진행 방향에 수직한 모든 방향으로 전기장이 진동하는 횡파이다. 따라서 빛이 편광판 1을 지나갈 때, 편광축과 나란하게 진동하는 성분은 통과할 수 있다. 이 빛이 다시 편광판 2를 지나갈 때, 전기장의 진동 방향과 편광판 2의 편광축 방향이 나란하면 그대로 통과하고 수직이면 통과하지 못하기 때문에 물체가 보였다가 안보였다가 하는 현상이 나타난다. 편광판의 편광축 방향에 따라 통과하는 빛의 양이 달라지는 현상은 빛이 횡파임을 알려 준다. 만약 빛이 종파라면 편광판의 방향과 관계없이 일정한 밝기로 보일 것이다.

이때 전기장이 한쪽 방향으로만 진동하는 빛을 편광, 전기장이 진동하는 면을 편광면이라고 한다. 태양광과 같은 자연광의 경우에는 편광면이 일정하지 않지만, 편광판을 이용하면 편광축과 같은 방향의 편광면을 가진 편광을 만들 수 있다.
서로 이웃한 두 개의 편광판의 편광축이 수직인 경우에 자연광은 편광판을 통과할 수 없다. 하지만 편광축의 방향이 조금씩 변하는 여러 개의 편광판을 사용하면 아래 그림과 같이 편광면을 회전시키는 것도 가능하다.

 

 

| 반사에 의한 편광 |

편광은 편광판을 이용하여 만들 수 있지만, 반사에 의해서 만들어지기도 한다. 그림과 같이 자연광이 물체의 표면에 입사하여 반사할 때 빛의 입사각에 따라 반사광이 완전 편광이나 부분 편광이 되기도 한다.

반사할 때 입사광 중에서 반사면에 나란한 방향으로 전기장이 진동하는 빛이 주로 반사되지만, 빛의 입사각이 0˘ 혹은 90˘라면 반사광은 편광되지 않는다. 즉, 특정한 입사각(브루스터각)에서는 반사면에 나란한 방향으로 진동하는 빛만이 반사되는 완전 편광이 일어나지만, 대부분의 경우는 다른 방향으로 약하게 진동하는 빛이 포함되는 부분 편광이 일어난다.

 

| 편광 현미경 |

편광 현미경은 암석의 성질을 조사하기 위해서 사용되는 장치이다. 그림 (가)와 같이 빛이 편광판을 지나 0.03 mm정도 두께의 얇은 암석 박편에 비추도록 편광 현미경을 장치한다. 이 빛은 암석 박편을 지나면서 암석에 있는 광물에 따라서 서로 다르게 복굴절이 일어난다. 이후 복굴절된 빛을 다시 편광판으로 관찰하여 암석을 조사한다.

 

그림 (나)는 암석을 편광 현미경으로 관찰한 모습이다. 광물에 따라 다른 빛을 띠므로 암석에 어떤 광물이 포함되어 있는지를 알 수 있다.

 

| 편광 선글라스 |

선글라스는 보통 강한 태양 빛으로부터 눈을 보호하기 위해서 이용되는 도구이다. 이중 편광 선글라스는 빛의 편광 성분을 선택적으로 차단하여 물체의 표면에서 강하게 반사되는 빛에 의한 눈부심을 막아 준다. 그림과 같이 물체의 반사면(표면)에서 강하게 반사되는 빛은 대부분 반사면(표면)과 나란한 방향으로 부분 편광되어 있다.

특히 수면과 같은 곳에서 반사될 경우 편광방향은 수평 방향이 된다. 편광 선글라스는 수면과 연직인 방향의 편광축을 가진 편광판으로 되어 있기 때문에 수평 방향의 편광을 거의 제거할 수 있어서 반사에 의한 눈부심현상을 막을 수 있다.
이와 비슷하게 카메라의 렌즈 앞에 편광 필터를 부착하면 유리창에서 반사된 반사광을 제거하여 유리창 너머의 물체만을 촬영할 수 있다.

 

| 액정 영상 장치(LCD) |

액정은 가늘고 긴 분자가 거의 일정한 방향으로 나란히 있는 고체와 액체의 중간 상태에 있는 물질이다. 이러한 액정을 이용하면 텔레비전과 같은 영상 장치의 화면을 나타낼 수 있다.
액정 영상 장치의 화면은 가장 위와 가장 아래에 서로 수직으로 고정된 편광축을 가진 두 개의 편광판과 그 사이를 액정으로 채운 형태로 구성되어 있다.

위 그림 (가)와 같이 두 편광판 사이에 전압이 걸리지 않았을 때는 액정의 편광축이 위 편광판의 편광축 방향에서 아래 편광판의 편광축의 방향으로 서서히 변한다. 이러한 상태에서는 위쪽 편광판을 통해 들어온 빛의 편광면이 액정의 분자 배열 상태를 따라가면서 90˘까지 휘기 때문에 아래 편광판을 통과할 수 있다. 하지만 (나)와 같이 두 편광판 사이에 전압이 걸리면 액정의 분자 배열이 바뀌면서 모든 액정의 편광축 방향이 위 편광판의 편광축과 같아진다. 이에 따라 위 편광판을 통과한 빛은 아래 편광판을 통과할 수 없다. 이러한 소자들을 여러 개 배열하여 액정 영상 장치의 화면을 구성한다.

 

| 입체 안경 |

사람이 물체를 입체적으로 볼 수 있는 이유는 눈이 두 개이기 때문이다. 두 눈을 번갈아 가려 보면 물체가 약간씩 다르게 보이는 것에서 알 수 있듯이 두 눈은 아래 그림과 같이 물체를 서로 다른 각도에서 바라본다. 이때 두 눈이 각각 감지한 영상 정보가 뇌에서 합쳐지면서 입체감을 느끼게 된다.

입체 영상을 나타내기 위해서는 눈이 사물을 입체로 보는 원리를 이용한다. 우선 그림 􀣈`와 같이 왼쪽과 오른쪽 눈의 역할을 하는 두 대의 촬영기로 서로 다른 각도에서 촬영을 한다. 이후 각 촬영기로 촬영한 두 개의 영상을 합쳐서 화면을 내보내는데, 두 영상은 서로 수직한 방향의 편광면을 가진 빛으로 되어 있다. 이 화면을 서로 수직한 편광축을 가진 입체 안경을 쓰고 보면 왼쪽 눈과 오른쪽 눈은 서로 다른 촬영기로 촬영한 영상만을 보게 되면서 입체감을 느끼게 된다.

 

 

내용출처 : 천재교육 물리2

 

관련동영상

 

- 편광필름을 이용한 실험

 

- 편광 선글라스 실험