빛의 편광

빛의 간섭과 회절 현상은 빛이 파동성을 갖는다는 것을 말합니다. 빛의 편광과 광학적 이방성 결정에서의 쌍굴절 현상은 빛의 횡파성을 더욱 확인시켜 줍니다. 전파방향에 대한 진동방향의 비대칭성을 편진이라고 합니다. 이것은 종파와 구별되는 횡파의 가장 뚜렷한 표시입니다. 횡파만이 편광 현상을 나타냅니다.

 

간섭과 회절은 여러 가지 파동이 다 있는 현상으로 종파든 횡파든 간섭과 회절을 낳습니다. 그래서 우리는 간섭이나 회절이 일어날 수 있는지에 따라서 어떤 물질이나 어떤 운동의 형태가 파동적인 성질을 갖고 있는가를 가려내곤 합니다. 그러나 회절과 간섭에 의한 현상은 어떤 파동이 종파인지 횡파인지 감별할 수 없습니다. 종파와 횡파의 구별은 다른 현상, 즉 편광현상으로 나타났습니다.

한쪽은 긴 끈의 한쪽은 고정시키고 다른 한쪽은 수평으로 끈을 손으로 당겨 위아래로 진동시켜 횡파를 발생시킵니다. 파의 진동방향과 파의 전파방향은 수직이며 진동방향은 항상 하나의 평면내에서 유지됩니다. 만일 우리가 밧줄을 울타리 하나를 통과하게 한다면, 파도의 전파는 울타리의 제한을 받게 될 것입니다. 펜스 틈새의 방향과 진동이 있다면요방향이 일치하면 파도가 울타리를 통과할 수 있습니다. 틈새 방향과 진동 방향이 수직이면 파장은 더 이상 앞으로 나가지 못하게 막습니다.

종파는 이와 다릅니다. 종파의 진동은 파의 전파 방향이나 울타리, 이와 같은 장애물은 어느 방향에서도 전파되지 않습니다.
이러한 성질에 있어서, 종파의 진동은 파동에 대하여 축대칭이고, 횡파의 진동은 파동에 대하여 축대칭이 아닙니다. 이와 같은 횡파의 특징은 편광성입니다.
광파는 전자파입니다. 광파에는 전기 진동 벡터 E와 자기 진동 벡터 H가 포함되어 있습니다. E와 H는 모두 전파 속도 u와 수직이므로 광파는 횡파입니다.
실험에 따르면 감광작용과 생리작용을 일으키는 것은 빛의 파장에 있는 전기 벡터 E이기 때문에 빛의 작용을 논할 때 전기 벡터 E의 진동만을 생각하면 됩니다. E를 광벡터라고 하고 E의 진동을 광진동이라고 합니다.

광파는 편광특징에 따라 자연광, 부분편광, 선편광, 원편광, 타원편광의 5종으로 나눌 수 있습니다.
이 현상은 빛이 횡파임을 증명할 수 있습니다.

 

1. 선 편광
빛의 전파 과정에서 하나의 진동만을 포함하고 그 진동 방향은 항상 동일한 평면에 유지되며, 이러한 빛을 선편광(또는 평면 편광)이라고 합니다. 당신은 하나의 실험을 통해 이것이 어떤 광경인지 상상할 수 있습니다. 당신은 밧줄의 한쪽 끝을 이웃집 정원의 나무에 묶고 다른 한쪽 끝을 당신의 손에 들었습니다. 다시 한 번 밧줄이 울타리의 두 대나무 한가운데를 지나간다고 가정해 보세요. 만약 지금 당신이 밧줄을 가지고 상하로 진동한다면, 밧줄에서 발생한 파도가 두 개의 대나무 사이를 통과하여 당신의 손에서 그 나무로 전달될 것입니다. 이때, 그 울타리가 당신에게 파문을 일으켰습니다. '투명합니다'라고 합니다.하지만 당신이 줄을 양보한다면, 좌우로 흔들리면 밧줄이 부딪히게 됩니다. 두 개의 대나무 위에 파도가 일었습니다. 울타리를 통과하지 않을 것입니다. 이때 이 울타리는 편광소자에 해당됩니다.

 

2. 부분 편광
광파는 가능한 모든 방향의 횡진동을 포함하지만 서로 다른 방향의 진폭이 다릅니다. 서로 수직인 두 방향의 진폭은 최대값과 최소값을 갖습니다. 이러한 빛을 부분 편광광이라고 합니다. 자연광과 부분편향광은 실제로 진동 방향이 다른 많은 선편향광으로 이루어져 있습니다.
빛이 공기(엄밀히 말하면 진공)로부터 매질에 입사할 때, 브뤼스트 각도의 정절값은 매질의 굴절률 n과 같습니다. 매질의 굴절률이 빛의 파장과 관련이 있기 때문에 같은 매질의 경우, 브뤼스트의 각도 빛의 파장과 관련이 있습니다. 광학유리 굴절률 1.4-1.9로 계산합니다, 브뤼스트각주약 54~62도 정도 됩니다. 입사각이 브루스터의 각도를 벗어나면 반사광은 부분적으로 편광됩니다.

 

3. 타원 편광
빛의 전파 과정에서 공간의 각 점의 전기 벡터는 빛을 축으로 회전운동을 하며, 전기 벡터 단점은 하나의 타원 궤적을 묘사하는데, 이를 타원 편광광이라고 합니다. 빛의 방향에 따라 모든 벡터를 시계 방향으로 회전시키는 것을 우회전 타원 편광이라고 하고, 반시계 방향으로 회전하는 것을 좌회전 타원 편광이라고 합니다. 타원 편광 중의 스핀 회전 벡터는 두 주파수가 동일하고 진동 방향이 서로 수직이며 고정 위상차가 있는 전기 벡터의 진동으로 합성된 결과입니다.

 

4. 원편광
회전 전기 벡터 단점은 원의 궤적을 그리는 광을 원편광이라고 합니다. 타원편광의 특수한 경우입니다. 우리가 관찰하는 시간대에 평균을 보았을 때 원편광은 자연광과 같은 것으로 보입니다. 그러나 원편광의 편광방향은 일정한 규칙에 따라 변하지만 자연광의 편광방향 변화는 무작위로 규칙적이지 않습니다.

 

액정 원리

1. 전자시계의 액정표시는 편광광을 사용합니다.
투광 방향의 서로 수직 편광판 두 개에 액정 케이스를 삽입하고, 케이스 내 액정층의 위아래는 투명 전극판으로 되어 있으며, 이들은 디지털 펜으로 그려진 형태로 새겨져 있습니다. 외부의 자연광은 첫 번째 편광판을 통과하면서 편광으로 변했습니다. 이 빛은 액정을 통과할 때 상하 양극판 사이에 전압이 없다면 빛의 편광 방향이 피액됩니다. 수정 90도(이 성질을 액정의 선광성이라고 한다) 회전시켜 두 번째 편광판을 통과할 수 있습니다. 두 번째 편광판의 아래쪽은 반사경입니다. 빛이 반사될 때 액정 케이스가 보입니다. 오기는 투명하지만 존재합니다. 위아래 두 개의 전극 사이에 일정한 간격이 있습니다. 크기의 전압일 때 액정의 성질을 바꿉니다. 변하면 선광성이 없어져 빛이 나옵니다. 두 번째 편광판을 통해서만 이 전극 아래의 영역이 어두워지고, 만약 그 전극이 숫자의 획수로 새겨져 있다면, 이 방법으로 숫자를 나타낼 수 있습니다.

2.카메라 앞에 편광경을 붙여 반사광을 없애줍니다.
유리 그릇, 수면, 진열장, 페인트 표면, 플라스틱 표면 등 표면이 매끄러운 물체를 촬영할 때 종종 요반이나 반사광이 발생하는데 이는 빛의 편광으로 인한 것입니다. 촬영시 편광경을 가용하고 편광경을 적절히 회전시켜 매끄러운 물체의 표면을 없애거나 약화시킬 수 있습니다. 뷰파인더를 통해 관찰하면서 거울을 돌려 편광 제거 효과를 관찰할 수 있도록 해야 합니다. 피사체의 반광이 사라지는 것을 관찰했을 때 거울의 회전을 멈출 수 있습니다.

3. 촬영 시 하늘 밝기를 조절하여 푸른 하늘을 어둡게 합니다.
푸른 하늘에는 많은 편광광이 존재하기 때문에 편광경으로 하늘의 밝기를 조절할 수 있습니다. 편광경을 가한 후 푸른 하늘은 어두워져서 푸른 하늘의 흰 구름을 돋보이게 합니다. 편광경은 회색이기 때문에 흑백과 컬러 촬영에서 모두 사용 가능합니다.

4. 편광경을 이용하여 입체영화를 봅니다.
입체영화를 볼 때 관객은 특수 제작된 안경을 써야 하는데, 이 안경은 바로 투광 방향이 서로 수직인 편광판입니다. 입체영화는 두 개의 렌즈로 사람의 눈처럼 두 개의 서로 다른 방향에서 동시에 하경물의 상을 촬영해 필름으로 제작됩니다. 상영할 때 두 개의 영사기를 통해 두 개의 카메라로 찍은 두 조를 상영합니다. 필름을 동시에 상영하여 이 두 개의 다른 이미지를 스크린에 겹쳐 보이게 합니다. 이때 눈으로 직접 보면 보이는 화면이 흐릿하고 입체영화를 보려면 전기 한 대에 있어야 합니다. 카메라 앞에 편광을 설치합니다. 그 역할은 하는 것과 맞먹습니다.  두 영사기에서 나오는 빛입니다. 편광판을 통과하면 편광판이 됩니다. 좌우의 두 영사기 앞 편광편의 편광화 방향은 서로 수직이 되며, 따라서 두 다발의 편광 방향도 서로 수직이 됩니다. 이 두 개의 편광은 스크린에 투사되어 다시 관객에게 반사되며, 편광 방향은 변하지 않습니다.  관객은 위의 편광 안경으로 시청하며, 각각의 눈은 해당 편광 도상만을 볼 수 있습니다. 즉 왼쪽 눈은 왼쪽 기계에 비친 화면만 볼 수 있고, 오른쪽 눈은 오른쪽 기계에 비친 화면만 볼 수 있습니다. 그러면 직접 보는 것처럼 입체감이 생기죠. 이것이 입체영화의 원리입니다.

물론 실제 입체영화를 상영하는 것은 하나의 렌즈로 두 개의 그림이 같은 필름에 번갈아 인쇄되기 때문에 복잡한 장치가 필요합니다. 결정에서의 빛의 전파는 편광 현상과 밀접한 관련이 있으며, 편광 현상을 이용하여 결정의 광학적 특성을 알 수 있으며, 측정을 위한 광소자 제조 및 암석 감식, 광측정탄 등의 광학적 장치를 제공할 수 있습니다. 레이저 변조 등의 기술적 수단입니다.

5.생체의 생리기능과 편광광입니다.
사람의 눈은 빛에 대한 편광 상태는 구별할 수 없지만, 어떤 곤충의 눈은 편광에 민감합니다. 예를 들어 꿀벌은 다섯 개의 눈(외눈 세 개, 겹눈 두 개)을 가지고 있는데, 이 작은 눈들은 태양의 편광에 의해 태양의 방위가 결정되고, 태양을 방향표로 하여 방향을 판단하기 때문에 꿀벌입니다. 그 동류를 정확히 찾아낸 꽃밭으로 인도할 수 있습니다.
사막에서는 나침반을 가지고 있지 않으면 사람이 길을 잃을 수 있지만, 사막에는 하늘의 자외편광을 이용하여 길을 잃지 않는 개미가 있습니다.

6. 자동차는 편광판을 사용하여 밤 건너편 차의 조명이 눈부시게 흔들리지 않도록 합니다.
하이빔은 매우 싫지만 빛의 편광을 이용하여 이 문제를 해결할 수 있습니다. 자동차 램프 커버를 경사방향으로 45° 편광렌즈로 설계할 수 있어 빛이 규칙적으로 비스듬히 비쳐집니다. 운전자들은 야간 안경을 끼고 편광 방향과 램프 커버 편광 방향이 같습니다. 이렇게 되면 운전자는 볼 수 밖에 없습니다. 자기 차가 내뿜는 빛, 반대편 차가 내뿜는 빛의 진동 방향이 바로 본 방향 자동차와 90° 각도로 되어 있어 반대편 램프의 빛은 더 이상 운전자의 눈에 들어오지 않습니다.

물론 이 구상이 실현되려면 긴 길이 필요합니다. 먼저 세계는 반드시 통일된 기준을 만들어 램프 커버와 안경의 편광 방향을 규정해야 합니다. 둘째 편광 안경은 빛을 일부 잃게 됩니다. 그러면 운전자의 시야에 영향을 받게 됩니다. 그리고 자동차의 헤드램프의 출력은 매우 크고 그 에너지의 절반은 편광 렌즈에 의해 결정됩니다. 흡수하면 반드시 많은 양의 열을 발생시킬 수 있습니다.