Interference

빛의 간섭은 특정 상황에서 여러 개의 광파가 서로 상호 작용하여 결합된 파동의 진폭이 증가하거나 감소하는 현상입니다.본고에서는 광파의 보강 간섭과 상쇄 간섭, 간섭을 일으키는 원인, 그리고 이 현상을 보여주는 몇 가지 실제 사례와 실험에 대해 논의합니다.

광파 간섭이란 무엇인가요?

광파의 중요한 특성은 특정 상황에서 서로 간섭하는 능력입니다.물리학에서 간섭의 정의는 이러한 결과에 따른 파동의 진폭을 증가 또는 감소시키는 파동의 중첩입니다.대부분의 사람들은 매일 일정 형태의 광학 간섭을 관찰하지만 이 현상을 일으키는 원인이 무엇인지 깨닫지 못합니다.빛의 간섭에 대한 가장 좋은 사례 중 하나는 물 위에 떠 있는 기름 막에서 반사된 빛으로 입증됩니다.또 다른 사례는 그림 1에 나와 있는 비누 거품으로, 자연광이나 인공 광원을 비출 때 다양한 아름다운 색을 반사합니다.

보강 간섭과 상쇄 간섭의 차이점은 무엇인가요?

이 역동적인 색의 상호 작용은 비누 거품의 내부와 외부 표면 모두에서 빛이 동시에 반사되는 것에서 파생됩니다(그림 1).두 표면은 서로 매우 가깝고(비누 거품의 두께는 불과 몇 미크론임) 내부 표면에서 반사된 빛은 외부 표면에서 반사된 빛과 보강적, 상쇄적으로 간섭합니다.거품의 내부 표면에서 반사된 빛이 외부 표면에서 반사된 빛보다 더 멀리 이동해야 하기 때문입니다.내부와 외부 표면에서 반사된 광파가 결합하면 서로 간섭하여 상쇄 또는 보강 간섭에 의해 백색광의 일부를 제거하거나 강화합니다.그 결과 거품에서 반사된 색이 눈에 띄게 변형됩니다.내부 광파가 이동한 추가 거리가 외부 광파의 파장과 정확히 일치하면 보강적으로 재결합하여 해당 파장의 밝은 색상이 생성됩니다.파동이 맞지 않는 곳에서는 상쇄 간섭이 발생하여 반사광(과 색상)이 상쇄됩니다.

빛의 간섭은 어떻게 발생하나요?

다음은 광파가 서로 어떻게 간섭하는지를 설명하고 있습니다.예를 들어 D 방향으로 이동하는 동일한 광원에서 나온 광파 한 쌍을 생각해 보십시오.이는 전파 방향(그림 2 참조)입니다. 진동(그림 2에서 C로 표시한 전파 방향에 수직임)이 서로 평행하고 진동 방향에 대해서도 평행하면 광파가 서로 간섭할 수 있습니다.진동이 동일한 평면에 있지 않고 서로 90도를 이루어 진동하는 경우 서로 간섭할 수 없습니다.

보강 간섭

위에 나열된 모든 기준이 충족된다고 가정하면 파동은 서로 보강적으로 또는 상쇄적으로 간섭할 수 있습니다.한 파동의 마루가 다른 파동의 마루와 일치하면 진폭이 더해집니다.두 파동의 진폭이 같으면 그 결과로 진폭은 두 배가 됩니다.광도는 진폭의 제곱으로 직접적으로 달라진다는 점에 유의하세요.따라서 진폭이 2배가 되면 강도는 4배가 됩니다.이러한 추가 간섭을 보강 간섭이라고 합니다(그림 2 참조).

상쇄 간섭

한 파동의 마루가 다른 파동의 골과 일치하면 그림 3과 같이 그 결과로 진폭이 감소하거나 심지어 완전히 상쇄될 수도 있습니다.이를 상쇄 간섭이라고 합니다.그 결과 광도가 떨어지거나 완전히 상쇄되면 암흑 상태가 됩니다.

두 개의 광파가 어떻게 결합하여 서로 간섭을 일으키는지 알아보십시오.

튜토리얼 시작

간섭 사례

Thomas Young은 빛이 파동 현상이라는 것을 보여줌으로써 간섭을 증명한 19세기 초의 물리학자였으며, 또한 다른 길이의 파동에서 다른 색상의 빛이 만들어진다고 가정했습니다.이는 빛이 입자의 흐름이라는 이론에 편향되었던 당시의 통념과 상반되는 것이었습니다.1801년 Young은 가시광선이 파동과 같은 특성을 가지고 있다는 중요한 증거를 입증하는 실험을 진행했습니다.종종 “이중 슬릿 실험”이라고 불리는 이 고전적인 실험은 원래 단일 슬릿을 통해 처음 회절된 햇빛을 광원으로 사용했습니다.하지만 여기서는 간섭성 적색 레이저 광을 사용한 실험에 대해 설명하겠습니다.

이중 슬릿 실험

이중 슬릿 실험의 기본 설정은 그림 4에 설명되어 있습니다.간섭성 레이저 광은 빛의 일부만 통과할 수 있는 두 개의 핀홀 구멍이 있는 장벽을 비출 수 있습니다.슬릿 뒤 영역에 스크린을 놓으면 밝은 적색과 어두운 간섭 띠 패턴이 스크린에 나타납니다.이 실험의 핵심은 장벽의 두 슬릿에서 회절된 빛 사이의 상호 간섭성입니다.

간섭 패턴이 파장과 슬릿 크기에 따라 어떻게 변하는지 알아보십시오.

튜토리얼 시작

간섭무늬란 무엇인가요?

레이저 광이 2개의 장벽 슬릿을 통해 회절되면, 회절된 각 파동은 그림 4(위에서 설명한 대화형 튜토리얼의 그래픽)와 같이 일련의 단계를 통해 다른 파동과 만납니다.때때로 파동은 보조를 맞추어(또는 동조, 보강 간섭) 만나고, 때로는 어긋나게(또는 탈조, 상쇄 간섭) 만나고, 때로는 부분적으로 보조를 맞추어 만납니다.파동이 보조를 맞추어 만나면 보강 간섭에 의해 합쳐져 스크린에 밝은 부분이 나타납니다.파동이 완전히 어긋나게 만나는 영역에서는 서로 상쇄 간섭을 일으키며 어두운 영역이 스크린의 해당 부분에 나타납니다.두 개의 회절된 레이저 광선 사이의 간섭 산물인 스크린의 패턴 결과물을 종종 간섭무늬라고 합니다.

빛의 파동과 같은 특성과 간섭 효과를 입증하기 위해 다른 유형의 실험이 고안되었습니다.가장 주목할만한 것은 Humphrey Lloyd의 단일 거울 실험과 Augustin Fresnel이 고안한 이중 거울 및 이중 프리즘 실험입니다.이러한 실험은 참고문헌에 나열된 많은 물리학책에 자세히 설명되어 있습니다.

뉴턴 링 실험

17세기 저명한 수학자이자 물리학자인 아이작 뉴턴 경은 간섭 현상을 연구한 최초의 과학자 중 한 명이었습니다.그의 유명한 뉴턴 링 실험에서 그는 곡률 반경이 큰 볼록 렌즈를 평평한 유리판 위에 놓고 압력을 가하여 렌즈와 유리판을 함께 고정시켰습니다.반사된 햇빛을 통해 유리판을 보았을 때 그는 그림 5에 설명된 것과 유사한 일련의 동심원 빛과 어둡고 짙은 색의 빛 띠를 관찰했습니다.뉴턴은 링이 어느 정도의 주기성이 있음을 나타낸다는 것을 인지하고 이 관찰 사실을 통해 빛의 파동 이론을 제안했습니다.그럼에도 불구하고 뉴턴은 빛을 입자의 흐름으로 생각했습니다.

링은 구부러진 볼록면과 평평한 유리 표면 사이에 존재하는 얇은 공기층 때문에 발생합니다.유리의 윗면과 아랫면에서 반사된 빛은 중첩(결합)되어 색상 링으로 나타나는 간섭 패턴을 생성합니다.이 원리는 종종 렌즈 제조업체에서 대형 광택 표면의 균일성을 테스트하는 데 사용됩니다.

간섭 강도와 무늬 분포

간섭 강도 무늬(Young의 이중 슬릿 실험에서 관찰된 무늬 등) 분포는 균일한 배경에 나타날 때 강도가 다릅니다.강도의 가시성(V)은 20세기 초 물리학자인 Albert Michelson에 의해 무늬의 최대 강도와 최소 강도의 차이를 합계로 나눈 값으로 정의되었습니다.

V = I(max) - I(min)/I(max) + I(min)

여기서 I(max)는 최대 강도이고 I(min)는 최소 강도입니다.이 등식에서 이상화된 무늬 강도는 항상 0과 1 사이에 있지만 실제로 무늬 가시성은 실험의 기하학적 설계와 사용된 스펙트럼 범위에 따라 달라집니다.이는 자연 발생하는 사건에서 관찰되는 무수한 간섭 패턴에 원인이 있습니다.

재료의 응력 영역에서 발생하는 간섭색은 편광에서 쉽게 관찰할 수 있습니다.그림 6의 눈금자는 플라스틱으로 만들어졌으며 교차 편광판을 통해 관찰합니다.정상 조명 아래에서는 눈금자가 눈금이 명확하게 보이며 반투명하게 나타납니다.그러나 편광 아래에서 볼 때 눈금자는 더 많이 변형된 영역에서 더 심층적으로 나타나는 응력 패턴을 보여줍니다.이는 눈금자를 구성하는 장쇄 폴리머 분자의 정렬 정도가 높기 때문입니다.눈금자의 왼쪽에 있는 구멍 근처에서 가장 큰 복굴절이 발생한다는 점에 유의하세요.

간섭의 실제 사용

빛 간섭의 다른 용도는 레이저로 장거리 측정을 하는 것입니다.이 경우 레이저를 사용하여 여러 마일에 걸쳐 매우 작은 거리를 측정할 수 있습니다.이는 레이저 광선을 분할하고 상이한 표면에서 다시 반사함으로써 이루어집니다.(별도의 레이저 광선을 재결합할 때) 생성된 간섭무늬를 분석하면 두 물체 사이의 거리를 놀라울 정도로 정확하게 계산할 수 있습니다.

홀로그램은 또한 빛의 간섭에 의존하여 3차원 같은 이미지를 생성합니다.반사 홀로그램에서는 기준 광선과 물체를 비추는 광선이 반대쪽에서 두꺼운 필름에 반사됩니다.이러한 광선이 간섭하여 3차원으로 나타나는 이미지에 해당하는 밝은 영역과 어두운 영역을 생성합니다.전송 홀로그램은 유사한 유형의 효과를 내기 위해 필름의 같은 면에 있는 기준 광선과 물체를 비추는 광선을 모두 사용합니다.

가만히 고여 있는 물웅덩이에서 유도된 음파와 파동에서도 간섭이 발생합니다.매우 간결하고 쉬운 간섭 실험을 물이 가득 찬 싱크대와 두 개의 구슬을 사용하여 집에서 수행할 수 있습니다.먼저, 물을 매우 잔잔한 상태로 만든 다음 구슬을 약 1피트 높이에서 (약 10~14인치 떨어진) 물 속으로 동시에 떨어뜨립니다.빛의 파동과 마찬가지로 두 개의 구슬은 모든 방향으로 발산되는 일련의 파동을 물에 유도합니다.구슬이 물에 들어갈 때 그 사이 영역에서 형성된 파동은 결국 충돌합니다.보조를 맞추어 충돌하는 곳에서는 보강적으로 더해져 더 큰 파동을 만들고 어긋나게 충돌하는 곳에서는 서로를 상쇄합니다.한번 해보십시오!