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<차례> 1. 편광과 편광판 |
전자기파의 진행과 전기장의 진동에 대한 이해가 필요한 기사입니다. 아래 링크를 클릭하세요.
1. 편광과 편광판
편광(Polarization)은 공간을 진행하는 전자기파에서 모든 방향으로 진동하는 전기장의 어느 성분이 감쇠되는 현상을 말합니다. 편광의 한 극단적인 예로 선편광(linear polarization)은 오직 한 방향으로 진동하는 전기장 성분만 남기고 나머지 전기장이 모두 감쇠되어 사라진 경우입니다. 위 링크에서 전하 하나에 의해 만들어진 한 방향으로만 진동하는 전기장을 생각하면 되겠습니다.
광물을 관찰하는 편광현미경에 쓰이는 편광판(polarizer, 그림 1)은 위에서 말한 선편광을 일으키는 흡수 편광판입니다. 흡수 편광판은 매우 가는 금속으로 된 선들을 새겨넣은 것입니다. 많은 금속의 선들이 나란하게 배치되어 있습니다. 그림 1을 참고하세요.
그림 1: 편광판의 얼개
2. 편광판에 의한 전자기파의 편광
이러한 편광판에 편광되지 않은 전자기파가 입사하는 경우를 생각해보겠습니다. 전자기파의 전기장은 물질의 전자와 상호 작용합니다. 편광판의 금속선에는 많은 전자가 분포하는데, 전기장이 도달하면 전자는 전기장의 진동에 따라 진동을 시작합니다. 그것은 전기장의 에너지의 일부가 전자의 운동에너지로 전환된다는 것을 의미합니다. 전자가 금속선을 벗어날 수 없으므로 그 운동에너지는 결국 열에너지로 전환되빈다. 또한, 일부 에너지는 도달하자마자 즉시 반사되어 돌아가기도 합니다.
주목할 것은, 금속선의 길이 방향으로 진동하는 전기장은 전자들을 큰 폭으로 운동하게 할 수 있는데 반해, 금속선의 폭 방향으로 진동하는 전기장에 의해서는 전자들이 크게 움직이지 못한다는 점입니다. 그 결과, 금속선의 길이 방향으로는 전기장의 에너지가 크게 소모되는 데 비해 폭 방향으로는 전기장의 에너지 소모가 적습니다. 따라서, 아래 그림과 같이 편광되지 않은 전자기파가 편광판을 지나면서 금속선과 나란한 방향의 전기장 성분은 사라지고 금속선과 수직한 방향으로 진동하는 전기장 성분만 남게 됩니다.
<그림 2: 편광판을 통과하는 빛의 선편광>
1) 편광판의 주 진동 방향에 나란하게 진동하는 전기장
편광판의 금속 선의 길이 방향이 편광판의 주요 진동 방향입니다. 아래 그림처럼 전기장이 금속 선의 길이 방향에 나란하게 진동하는 경우에는 금속 선의 길이 방향으로 전자들을 크게 진동시키면서 큰 에너지 감쇠를 겪습니다.
그림 3. 편광판의 금속 선에 나란하게 진동하는 전기장은 크게 감쇠된다.
2) 편광판의 주 진동 방향에 수직하게 진동하는 전기장
아래 그림처럼 금속 선에 수직하게 진동하는 전기장은 금속 선의 폭 방향으로 미세하게 전자들을 운동시키기 때문에 에너지의 감쇠가 크지 않습니다.
그림 4. 편광판의 금속 선에 수직하게 진동하는 전기장은 거의 감쇠되지 않는다
3) 편광판의 주 진동 방향에 비스듬하게 진동하는 전기장
편광판의 금속 선에 대해 비스듬하게 진동하면서 입사하는 전기장은 편광판의 금속 선에 나란한 방향과 수직한 성분의 두 성분으로 나누어 볼 수 있습니다. 금속 선에 나란한 성분은 붉은 색 파선으로, 수직한 성분은 하늘색 파선으로 표시하였습니다. 앞에서 본 것처럼 붉은 색 파선으로 표시된 나란한 성분은 크게 감쇠되는 반면, 하늘 색으로 표시된 수직 성분은 거의 감쇠되지 않고 편광판을 통과합니다.
그림 5. 편광판의 금속 선에 대해 비스듬하게 진동하며 입사하는 전기장의 경우, 그 평행 성분은 크게 감쇠되지만, 수직 성분은 거의 감쇠되지 않고 통과한다.
결국 편광판을 통과하는 전자기파의 여러 진동면 중 편광판의 주 진동 방향에 수직한 진동면만 투과하게 됩니다. 이러한 경우 전자기파가 선편광되었다고 합니다.
조영우
푸른행성의 과학 | 어스블로그 | Youngwoo Cho Photography
링크 복원했습니다.