[스크랩] 광의 정체

광의 정체

 

1. 빛의 파장

 

빛이 전자기파라면 빛의 주파수와 파장은 어떻게 될까?

전자공학에서는 전자기파를 파장보다 주파수의 견지에서 취급하는 것이 일반적이지만 광학에서는 파장을 직접 측정할 수 있기 때문에 파장의 입장에서 취급한다.

광파의 파장은 나노미터[㎚], 마이크로미터[㎛], 옹스트롬[Å]의 단위를 갖는다. 이러한 단위들의 관계는 다음의 표와 같다.

 

<표 2-1-1> 광 파장의 단위

 

단 위	차 원	옛 명칭
마이크로미터[㎛]	10-6[m] 또는 10-4[㎝]	미크론(micron)
나노미터[㎚]	10-9[m] 또는 10-7[㎝]	밀리미크론(millimicron)
옹스트롱[Å]	10-10[m] 또는 10-8[㎝]

1000[㎚]=[㎛]

 

위의 세 가지 단위들은 광학에서 일반적으로 사용되나, 광통신 분야에서는 주로 나노미터 단위를 많이 사용한다.

[그림 2-1-1] 파장의 개념

 

파장은 주파수와 빛의 속도에 따라 다음의 식으로 얻어진다.

λ = c / f

여기서 λ는 파장, f는 주파수, c는 빛의 속도  3×10⁸[㎧]이다.

광통신에서 사용되는 광의 파장은 850[㎚], 1,300[㎚], 1,550[㎚]이며 주파수로 환산하면 수백[㎔]의 높은 주파수이다. 물론 이것들은 [㎛]나 [Å]으로 표현될 수도 있다.

광통신에 수반되는 아주 작은 파장의 개념을 제공하기 위하여 아래의 스케일을 고려하면 10[㎜]에서 세부 눈금 사이의 거리는 1[㎜]이다. 따라서 850[㎚]의 파장은 1[㎜]의 8억 5천만 분의 1이다. [그림 2-1-2]는 광통신의 스케일을 나타낸 것이다.

[그림 2-1-2] 광통신의 스케일

 

2. 전자파의 종류와 명칭

 

광을 정의한다면 물리적으로 전자파(electromagnetic wave)의 일종이다. 텔레비전, 라디오나 무선통신에서 사용되는 전파도 뢴트겐(Röntgen) 촬영에서 보는 χ선(ray)도, 방사선 치료에 사용되는 γ선(ray)도 모두 전자파의 일종으로, 광도 같은 무리의 전자파이다. 전자파에는 여러 가지의 주파수(frequency)가 있으며 <표 2-1-2>은 무선통신에서 사용한 전파를 주파수에 따라 분류한 것이다.

 

  <표 2-1-2> 무선주파수의 분류와 전파 메카니즘 및 용도

 

주파수	대  역   구  분	전파 메커니즘	통신 거리 및 용도
3[㎑] ∼30[㎑]	장파 (VLF, very low frequency)	지표면 -전리층	전세계 군용 선박 통신
30[㎑] ∼300[㎑]	저주파 (LF, low frequency)	표면파	1,500[㎞] 무선항행
300[㎑] ∼3[㎒]	중파 (MF, medium frequency)	표면파 (단거리)	표준방송
		공중파 (장거리)	항공, 선박, 아마츄어무선
3[㎒] ∼30[㎒]	단파 (HF, high frequency)	공중파	3∼6[㎒] 대륙간 통신, 6∼30[㎒] 이동통신, 상업 아마추어 무선, 국제 시티즌

 

주파수	대  역   구  분	전파 메커니즘	통신 거리 및 용도
30[㎒] ∼300[㎒]	초단파 (VHF, very high frequency)	공간파 산란파	가시거리 통신 VHF, FM, 다중통신 2,000[㎞]
300[㎒] ∼3[㎓]	극초고주파 (UHF, ultra high frequency)	공간파 산란파	레이다, 다중통신, 이동통신 6,000[㎞]
3[㎓] ∼30[㎓]	극초주파(Microwave) (SHF, super high frequency)	공간파	위성통신, 고정통신, 레이더
30[㎓] ∼300[㎓]	밀리미터파(millimeter wave) (EHF, extremely high frequency)	공간파	미래통신

 

 그 중에서 파장(wavelength)이 수 나노미터([㎚]=10^-9[m])에서 수 백 마이크로미터([㎛]=10^-6[m])의 전자파를 광이라고 부른다. 전파는 이보다 파장이 긴 전자파이며, χ선과 γ선은 광보다는 파장이 짧은 전자파이다.

광은 파장에 따라 [그림 2-1-3]과 같이 분류되나 명확한 경계는 없다. 사람의 눈으로 보이는 파장은 380∼400[㎚] 부근에서 760∼800[㎚]사이까지로, 이것을 가시광선(visible ray)이라 부른다.

색이 다른 것도 파장의 다름에 의한 것으로, 파장이 긴 광은 빨갛게, 파장이 짧은 광은 파랗게 보인다.

 

 

 

[그림 2-1-3] 전자파의 종류와 명칭

 

[그림 2-1-4] 광통신의 사용 파장대

 

3. 빛의 특성

 

가. 빛의 속도

 

다른 전자기파와 마찬가지로 빛은 3×10⁸[㎧]의 속도로 자유공간(즉 진공)을 전파한다. 좀 더 정확하게 말하면 빛은 3×10⁸[㎧], 2.997925×10⁸[㎧]의 속도를 갖는다. 그러나 실제적으로 그리고 일반적으로 빛의 속도를  3×10⁸[㎧]로 취한다.

대기 중에서의 빛의 속도는 3×10⁸[㎧]보다는 낮지만, 거의 이 값에 근사한 자유공간에서의 전파와 대기 중에의 전파에 있어 빛의 속도는 모든 파장에 대해 동일하다. 그러나 물이나 유리 같은 다른 어떤 물질에서의 빛의 전파속도는 자유 공간에서의 속도보다 감소한다. 이 속도의 감소 때문에 대기로부터 고체 물질로 입사되는 광선은 새로운 매질의 표면에서 꺾여지게 된다(광학에서 매질은 빛을 통과시키는 물질을 말한다). 이러한 현상을 굴절이라 하는데, 이것은 광섬유 광학 연구에서 매우 중요한 현상이다. 빛의 속도는 광학과 직접 관련이 없는 많은 과학 기술적인 방정식에 나타날 정도로 광학분야 이외에서도 중요하다. 방정식 내에서 빛의 속도는 보통 c로 표시된다.

c = 3×10⁸[㎧] = 3×10⁵[㎞/s]

 

나. 굴절률

 

굴절률(n)은 자유공간에서의 빛의 속도(c) 대 물질 내에서의 빛의 속도(v)의 비로 정의된다. 즉

v=c/n

<표 2-1-3>에 여러 물질에 대한 굴절률을 나타냈다. 광의 파장에 따라 전파 속도는 달라지며, 표의 굴절률들은 나트륨 불꽃(sodium flame)의 파장인 5,890[Å]에서의 속도 비이다.

<표 2-1-3> 일반적인 매질의 굴절률

매질	굴절률	매질	굴절률
공기 다이아몬드 에틸알콜 융착 수정	1.00 2.42 1.36 1.46	유리 광섬유 물	1.5∼1.9 1.5 1.33

 

공기와 물, 공기와 유리같이 서로 다른 물질의 경계면에서는 광은 굴절해서, 진행방향이 바뀜을 잘 알고 있다. 이 때 어느 정도 꺽이는가 하는 비율은, 경계를 형성하고 있는 물질의 조합에 따라 다르게 되지만, 물질이 정해지면 그의 비율도 결정된다. 이 굴절의 비율을 나타내는 척도를 굴절률이라고 말하나, 일반적으로 공기에서 어떤 물질에 광이 입사한때의 굴절의 비율로 정의한다.

굴절이라는 현상은 광의 전파속도(propagation velocity)가 물질에 따라 다르게 나타나기 때문이다. 광의 속도는 공기 중에서 가장 빠르며, 그 값은, 3×10⁸[㎧]이다.

그러나, 물질에 따라 그 값이 작아지며, 예를 들어 물 속에서는 공기중의 약 3/4, 유리에서는 약 2/3, 다이아몬드(diamond)에서는 2/5의 속도가 된다.

굴절률은 실제로, 공기 중 광의 속도로서, 어떤 물질 중의 광속도의 비를 나타내며, 다음과 같이 나타낸다.

         n= 공기중의 광의 속도 ÷ 어떤 매질중의 광의 속도 

 

다. 투명체와 반사체

 

액체, 기체, 고체들은 얼마나 많은 빛이 이들을 침투하거나 통과하느냐에 따라 투명체(transparent), 반 투명체(translucent), 반사체(opaque)로 구별된다.

만약 빛이 물질을 통과했다면 이 물질을 투명체(transparent)라고 한다. 이 범주에는 물, 공기, 플라스틱의 일부, 유리 등이 포함된다.

어떠한 빛도 매질을 통과할 수 없으면 이 물질은 반사체(opaque)이다. 그러나 어떤 투명체에 있어서 두께를 증가시키거나 이 물질을 몇 층으로 포개게 되면 반사체가 되기도 한다.

왁스, 종이와 같은 물질은 빛의 일부 양만을 통과시킨다. 이러한 물질을 반투명체(translucent)라고 부른다.

 

6. 빛의 파동성과 입자성

 

몇 세기 동안 물리학자들은 원자의 모델로 간단한 그림이나 모델을 통해 빛의 성질을 설명하고자 했다. 그러나 안타깝게도 간단한 설명체제를 수립하지 못했고, 하나의 명쾌한 이론으로 빛의 성질을 설명할 수 없었다.

이것은 빛이 입자(particles) 특성과 파동(wave) 특성을 동시에 갖기 때문이다.

 

가. 빛의 입자성

 

항상 빛은 광자(photon)라고 불리는 빠르게 움직이는 전자기 입자들의 스트림(stream)이나 빛줄기처럼 보인다. 빛의 입자들은 물질의 입자들을 닮았다. 예를 들어, 입자들은 매우 빠른 속도로 움직이지만 정지하고 있을 때 아무런 질량도 갖고 있지 못하다. 즉 광자는 정지(휴지)상태에서는 존재하지 않는다. 따라서 입자라고 부르는 대신에 에너지의 이산적인 다발(bundle)이나 묶음(packet)으로 부르는 것이 적합하다.

이 입자성을 이용해 물리학자들은 빛이 방출되거나 흡수될 때 빛에 일어나는 현상들을 설명할 수 있게 됐다. 이 이론은 빛이 고체 표면을 때릴 때 고체가 전자들을 방출하는 광전 효과(photoelectric effect)를 설명할 수 있다. 이 이론이 없다면 방출과 흡수에서의 빛의 동작을 명확하게 설명할 수 없다. 그러나 아직까지 이 이론만으로는 빛의 다른 많은 현상을 설명할 수 없다.

 

[그림 2-1-4] 원자에서 전자의 방출

 

나. 빛의 파동성

 

예를 들어 많은 실험에서 빛은 광자의 스트림 대신에 전자기파와 같이 생각했다. 이 전자기파는 진동하는(oscillating) 전계와 자계로 구성되어 있다.

이 전계와 자계는 서로 오른쪽 방향으로 직교하고, 이 전계와 자계에 의한 평면은 전파 방향과 오른쪽으로 직교한다.

전계와 자계의 크기는 정현적으로 변하다. 이 전계와 자계 성분은 전파 방향과 직교하여 진동하기 때문에, 광파를 횡파(transverse wave)라고 부른다. 다른 전자기파와 마찬가지로 빛은 진공의 공간을 전파하고 매우 먼 거리를 전파할 수 있다.

파동성(wave theory)은 빛의 전파(propagation)와 전송(transmission)을 설명한다.

 

[그림 2-1-5] 빛의 파동성

 

 또한 광선(light beam)들이 자기 외의 다른 광선을 방해하지 않고 서로를 통해 전달되는 이유를 설명한다. 두 개의 서치라이트가 서로 교차될 때 일어나는 현상을 생각해 보자. 마치 자기 외의 다른 서치라이트가 존재하지 않는 것처럼 각 서치라이트는 중복면을 통과해서 빠져 나온다. 만약 빛이 입자로만 구성되어 있다면 이러한 현상은 발생하지 않는다. 또한 빛의 간섭 현상을 고려해 보자. 단일 광원(source)으로부터 빛이 두 개의 광선으로 분할되고, 이 두 광선이 서로 다른 경로를 전파해 공통의 한 지점에 도달되었다면, 이 두 광선은 서로 간섭을 일으킨다. 이 광선들의 위상에 의존해, 이 두 광선은 공통의 지점에서 빛의 강도를 증가 또는 감소시킨다. 이 특성은 빛의 파동성에 의해서만 설명되어진다.

따라서 빛의 성질을 완전하게 설명하기 위해서는 빛의 입자성과 파동서 모두를 이용해야 한다. 즉 다루는 문제에 따라 이 두 이론이 적절히 이용되어야 한다

출처 : FIBERGIGA

글쓴이 : DEVICE 원글보기

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