나뭇잎 교과서

빛의 간섭과 회절

빛이 좁은 틈을 지나면 퍼지고, 여러 틈을 지난 빛은 밝고 어두운 무늬를 만듭니다. 이 무늬로 빛의 파장을 재고, 입체 영상을 기록하며, 나노미터 수준의 길이를 측정합니다.

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빛의 간섭과 회절

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CD나 DVD의 뒷면을 햇빛에 비추면 무지갯빛 띠가 보인다. 표면에는 색소가 칠해져 있지 않은데 어디서 색이 나올까? CD 표면에는 정보를 기록한 홈이 1 mm에 수백 줄씩 촘촘히 나 있다. 이렇게 규칙적으로 늘어선 수많은 틈과 홈이 빛을 색깔별로 나누는 까닭은 무엇일까?

그림 1. 같은 간격의 슬릿 \(N\)개를 지난 빛이 화면에 만드는 밝기. 밝은 무늬의 위치는 슬릿 수와 관계없지만, 슬릿이 많을수록 밝은 무늬가 가늘고 날카로워진다.
먼저 알아야 할 것이중 슬릿 간섭, 얇은 막의 간섭(물리학), 파동의 중첩과 경로차(역학과 에너지의 음파의 간섭).

2.1.1회절과 이중 슬릿

파동이 좁은 틈을 지나면 틈 뒤의 그림자 영역까지 퍼져 나간다. 이를 회절이라 한다. 틈이 파장에 견줄 만큼 좁을수록 많이 퍼진다. 빛은 파장이 수백 nm로 짧아 평소에는 회절이 잘 보이지 않지만, 아주 좁은 틈을 지나면 뚜렷이 퍼진다.

간격 \(d\)인 두 슬릿을 지난 빛이 화면에서 만날 때, 두 빛의 경로차는 \(d\sin\theta\)이다. 경로차가 파장의 정수배이면 보강 간섭으로 밝은 무늬가 생긴다. 그래서 이중 슬릿 뒤의 화면에는 밝고 어두운 무늬가 같은 간격으로 나타난다.

2.1.2회절 격자

같은 간격의 슬릿을 수백, 수천 개 늘어놓은 것을 회절 격자라 한다. 밝은 무늬의 조건은 이중 슬릿과 같다. 그런데 슬릿이 많으면 모든 슬릿의 빛이 동시에 같은 위상으로 맞아야 밝아지므로, 조금만 벗어나도 여러 슬릿의 빛이 서로 지워 어두워진다. 따라서 밝은 무늬가 매우 가늘고 선명해진다. 그림 1에서 슬릿 수를 늘려 보자.

정리 2.1.1 회절 격자의 밝은 무늬

격자 간격이 \(d\)일 때 파장 \(\lambda\)인 빛의 밝은 무늬는 \[d\sin\theta = m\lambda\quad (m = 0, 1, 2, \cdots)\] 인 방향에 생긴다. 파장이 길수록 같은 차수의 무늬가 더 큰 각도에 생긴다.

흰빛이 격자를 지나면 빨간빛은 큰 각도로, 보라빛은 작은 각도로 꺾여 색이 나뉜다. CD의 홈도 반사형 격자로 작용하여 무지갯빛을 만든다. 분광기는 이 원리로 별빛이나 불꽃의 파장을 정밀하게 잰다.1

흰빛 격자 m = 0 (흰색) 보라 빨강
그림 2. 1차 무늬에서 파장이 긴 빨간빛이 보라빛보다 크게 꺾인다. 가운데 0차 무늬는 모든 색이 겹쳐 흰색이다.

2.1.3예제 풀이

예제 2.1.2

1 mm에 600줄이 그어진 회절 격자에 파장 500 nm인 빛을 수직으로 비추었다. 1차와 2차 밝은 무늬의 각도를 구하여라. 몇 차 무늬까지 볼 수 있는가?

격자 간격은 \(d = \dfrac{1}{600}\) mm \(\approx 1.67 \times 10^{-6}\) m이다. 1차 무늬는 \(\sin\theta = \dfrac{500 \times 10^{-9}}{1.67 \times 10^{-6}} = 0.30\)이므로 \(\theta \approx 17.5°\)이다. 2차는 \(\sin\theta = 0.60\), \(\theta \approx 36.9°\)이다.

3차는 \(\sin\theta = 0.90\), \(\theta \approx 64°\)이고, 4차는 \(\sin\theta = 1.2\)가 되어 1을 넘으므로 생기지 않는다. 그래서 3차 무늬까지 볼 수 있다. 만약 파장 700 nm인 빨간빛이라면 1차가 약 24.8°에 생겨, 같은 1차에서도 초록빛과 7°쯤 떨어져 색이 뚜렷이 나뉜다.

아래 탐구 카드에서 슬릿의 수와 간격을 바꾸며 무늬가 어떻게 달라지는지, 그리고 홀로그램이 간섭무늬로 입체 영상을 기록하는 방법을 살펴보자.

  1. X선의 파장은 원자 사이 거리와 비슷하여, 결정 속에 규칙적으로 늘어선 원자들이 X선의 회절 격자 역할을 한다. 이 무늬를 분석해 DNA의 이중 나선 구조를 알아냈다.
마무리

빛은 좁은 틈을 지나며 회절하고, 여러 틈을 지난 빛은 경로차가 파장의 정수배인 방향에서 보강 간섭한다. 회절 격자에서는 \(d\sin\theta = m\lambda\)인 방향에 날카로운 밝은 무늬가 생기며, 파장마다 각도가 다르다. 그래서 처음 질문의 CD 표면은 촘촘한 홈이 반사형 회절 격자가 되어 햇빛을 색깔별로 다른 방향으로 보내 무지갯빛을 만든다.

탐구 1

이중 슬릿 무늬의 간격은 무엇이 정할까?

경로차 · 보강과 상쇄
무늬 간격 Lλ/d
—
P의 경로차
—
P의 밝기
—

위 슬릿에서 P 아래 슬릿에서 P 경로차

그림의 슬릿 간격은 과장해서 그렸다. 밝기 계산에는 슬릿 하나의 폭 0.04 mm를 넣었다.

  1. 질문레이저 빛을 아주 가까이 붙은 두 틈에 비추면 스크린에 밝은 줄과 어두운 줄이 번갈아 생긴다. 줄 사이 간격은 무엇이 정할까?
  2. 복원두 파동이 마루와 마루로 만나면 세지고(보강 간섭), 마루와 골로 만나면 서로 지운다(상쇄 간섭).
  3. 설명두 슬릿에서 나온 빛은 같은 위상으로 출발한다. 그래서 P에서의 밝기는 두 경로의 길이 차, 곧 경로차가 정한다. 경로차가 파장의 정수배면 밝고, 거기서 반 파장이 더해지면 어둡다.
  4. 연결L이 d보다 훨씬 크면 경로차는 d·y / L로 쓸 수 있다. 그러면 밝은 무늬 조건 d·y / L = mλ에서 이웃한 무늬 사이 간격은 Δx = Lλ / d이다. 19세기 초 영(T. Young)은 이 무늬로 빛이 파동이라는 근거를 보였다.
  5. 적용P를 끌어 가운데에서 두 번째 밝은 무늬에 놓고, 경로차가 1.00λ에 가깝게 나오는지 보자. 이제 초록, 보라 레이저로 바꾸고 d와 L도 바꿔, 무늬 간격이 어느 쪽으로 변하는지 식과 맞춰 보자.
  6. 판단Δx = Lλ / d는 무늬가 중심 가까이 있을 때(각이 작을 때)만 맞는 근사이다. 또 실제 슬릿에는 폭이 있어서 중심에서 멀어질수록 무늬가 흐려지는데, 그래프 양 끝이 낮아지는 까닭이 이것이다.

확인조건이 달라지면

같은 장치를 통째로 물(굴절률 1.33) 속에 넣고 같은 레이저를 비추었다. 스크린의 무늬 간격은?

탐구 2

비눗방울은 왜 무지갯빛일까?

얇은 막 간섭 · 반사의 위상
경로차 2nt
—
강해지는 파장
—
사라지는 파장
—

비눗물 굴절률 n = 1.33, 수직으로 볼 때, 햇빛을 모든 파장 세기가 같은 흰빛으로 둔 계산이다(모식). 반사 세기는 가장 강할 때를 1로 둔 상대값이다.

  1. 질문비눗물은 색이 없다. 그런데 비눗방울 막은 왜 무지갯빛으로 보이고, 터지기 직전 가장 얇아진 부분은 왜 검게 보일까?
  2. 복원두 빛이 겹칠 때 경로차가 파장의 정수배면 보강되고, 반 파장 더 어긋나면 상쇄된다.
  3. 설명막의 앞면에서 반사한 빛과 뒷면에서 반사한 빛이 겹친다. 뒷면 반사광은 막 속을 한 번 왕복하므로 광학적 거리로 2nt만큼 더 간다. 그런데 한 가지가 더 있다. 공기에서 비눗물처럼 굴절률이 큰 쪽으로 부딪혀 반사할 때는 파동이 반 파장만큼 뒤집힌다.
  4. 연결그래서 비누막에서는 2nt = (m + ½)λ인 파장이 강해지고 2nt = mλ인 파장이 사라진다(m = 0, 1, 2, …). 흰빛에서 몇몇 파장이 빠지면 남은 빛이 섞여 색으로 보이고, 막 두께가 곳곳마다 다르니 색도 곳곳마다 다르다.
  5. 적용두께를 0에서 1200 nm까지 천천히 옮겨 보자. 두께가 1000 nm를 넘으면 강해지는 파장이 여럿이 되어 색이 옅어진다. 두께를 10 nm에 두고 ‘반 파장 어긋남을 무시하기’를 켜면 무엇이 달라지는지도 보자.
  6. 판단아주 얇은 막이 검은 것은 빛을 흡수해서가 아니다. 경로차가 거의 0인데 한쪽만 반 파장 뒤집혀 두 반사광이 서로 지우기 때문이다. 또 반 파장 뒤집힘은 굴절률이 작은 쪽에서 큰 쪽으로 반사할 때만 생기므로, 막과 양쪽 물질이 바뀌면 결론도 바뀐다.

확인조건이 달라지면

안경 렌즈(유리, n = 1.52) 표면에 플루오린화 마그네슘(n = 1.38) 막을 입혀 초록빛(550 nm) 반사를 줄이려 한다. 이번에는 막의 앞면과 뒷면 모두 굴절률이 큰 쪽으로의 반사이다. 알맞은 막 두께는?

탐구 3

틈이 많아질수록 무늬는 왜 더 날카로워질까?

단일 슬릿 회절 · 다중 슬릿과 회절 격자
밝은 무늬(주극대) 각도 d sinθ = mλ
—
단일 슬릿 첫 어두운 무늬 a sinθ = λ
—

세기는 I ∝ [sin β / β]² × [sin(Nφ/2) / (N sin(φ/2))]² (β = πa sinθ/λ, φ = 2πd sinθ/λ)로 계산했다. 간격 슬라이더(위)와 폭 슬라이더(아래)가 따로 있고, 폭이 간격보다 크면 간격에 맞춰 줄인다.

  1. 질문CD나 DVD 뒷면을 빛에 비추면 무지개색이 보인다. 촘촘한 홈이 만든 무늬인데, 이중 슬릿 무늬보다 훨씬 선명하고 색이 잘 갈라진다. 틈이 많아지면 무엇이 달라질까?
  2. 복원두 틈을 지난 빛은 경로차가 파장의 정수배인 곳에서 보강 간섭해 밝은 무늬를 만든다(이중 슬릿). 그리고 파동은 좁은 틈을 지나면 뒤쪽으로 퍼지는데, 이를 회절이라 한다.
  3. 설명틈 하나도 폭이 있으면 틈의 여러 부분에서 나온 빛끼리 간섭해, 가운데가 가장 밝고 a sinθ = λ인 곳에서 처음 어두워지는 단일 슬릿 회절 무늬가 생기며, 틈이 좁을수록 무늬가 넓게 퍼진다. 같은 간격의 틈이 N개 있으면 d sinθ = mλ에서 모든 빛이 보강되어 밝은 무늬가 생기는데, N이 클수록 조금만 벗어나도 서로 상쇄되어 밝은 무늬가 가늘고 밝아진다. 이렇게 틈을 수천 개 새긴 것이 회절 격자이다.
  4. 연결회절 격자는 파장마다 밝은 무늬의 각도가 달라 빛을 정밀하게 나누므로, 분광기로 별빛이나 물질의 스펙트럼을 분석한다. 또 빛의 간섭은 레이저 간섭계로 나노미터 수준의 길이를 재고(중력파 검출기 LIGO), 물체에서 온 빛과 기준 빛의 간섭무늬를 기록해 입체 영상을 재현하는 홀로그램, 반도체 공정의 정밀 측정에도 쓰인다.
  5. 적용N을 1, 2, 5, 30으로 바꾸며 무늬를 비교하고, 밝은 무늬의 위치가 N에 따라 바뀌는지 보자. 그리고 파장을 바꾸면 무늬가 어떻게 움직이는지, 그래서 격자가 백색광을 어떻게 나누는지 설명해 보자.
  6. 판단간섭과 회절을 다른 현상으로 딱 나누기는 어렵다. 둘 다 파동의 중첩이며, 보통 몇 개의 파원이 겹치면 간섭, 연속된 파면의 여러 부분이 겹치면 회절이라고 부를 뿐이다. 그래서 실제 다중 슬릿 무늬에는 두 효과가 함께 나타난다.

확인조건이 달라지면

간격이 같은 회절 격자에 빨간빛과 보라색 빛을 함께 비추었다. 1차 밝은 무늬가 중앙에서 더 멀리 생기는 쪽은?

읽기 4

홀로그램은 어떻게 입체 영상을 기록할까?

읽기 · 간섭과 회절의 정밀 기술

사진은 빛의 세기(밝기)만 기록해서 어느 방향에서 보아도 똑같은 평면 영상이다. 그런데 신용카드나 지폐의 홀로그램은 보는 각도에 따라 물체의 옆면이 보인다. 무엇을 더 기록했을까?

1세기와 위상을 함께 기록한다

레이저 빛을 둘로 나누어, 하나(기준파)는 곧장 필름으로 보내고 다른 하나(물체파)는 물체에 비춘 뒤 반사된 빛을 필름으로 보낸다. 두 빛은 같은 레이저에서 나와 결이 맞으므로 필름 위에서 간섭무늬를 만든다. 그리고 물체의 각 점에서 온 빛의 위상(마루와 골이 어디쯤인지)이 달라 무늬에 새겨지므로, 필름은 빛의 세기와 위상을 모두 담는데, 이 필름이 홀로그램이다.

2회절로 되살린다

다시 기준파와 같은 빛을 홀로그램에 비추면, 필름의 미세한 간섭무늬가 회절 격자처럼 빛을 꺾어 원래 물체에서 나오던 빛과 똑같은 파면을 재현한다. 눈은 그 파면을 받아들이므로 물체가 그 자리에 있는 것처럼 입체로 보이고, 보는 방향을 바꾸면 다른 면이 보인다.

기술이용하는 원리
지폐·카드의 위조 방지 홀로그램표면의 미세한 홈이 회절 격자처럼 작용해 각도마다 다른 색과 영상이 보임
분광기회절 격자로 빛을 파장별로 나눠 물질과 별의 성분을 분석
간섭계 (LIGO, 반도체 계측)두 경로의 빛을 간섭시켜 경로 길이의 아주 작은 변화(원자핵보다 작은 길이 변화까지)를 측정
반사 방지 코팅얇은 막 윗면과 아랫면에서 반사된 빛이 상쇄 간섭하도록 두께를 맞춤
홀로그래픽 광학 소자 (AR 안경 등)얇은 필름에 기록한 간섭무늬가 렌즈나 거울처럼 빛을 원하는 방향으로 보냄

판단영화나 공연에서 홀로그램이라 부르는 입체 영상 중 상당수는 실제로는 반투명 스크린에 비친 평면 영상이다(페퍼스 고스트 기법). 그래서 진짜 홀로그램인지 판단하려면 빛의 위상 정보를 기록하고 재현하는지를 따져 보아야 한다.

확인조건이 달라지면

홀로그램을 기록할 때 레이저 대신 햇빛(백색광)을 쓰면 잘 기록되지 않는 까닭은?

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