빛의 편광 , 브루스터 법칙 , 광세기 대 거리 역제곱 법칙 ( 광학 4)

1. 기초전자물리학실험2 빛의 편광, 브루스터 법칙, 광세기 대 거리 역제곱 법칙(광학4) CH13 2008037383, 이름 최규범 2008037377, 이름 차용환 2008037371, 이름 진경택 2008037359, 이름 조정옥

2. 실험의 목표 1) 빛의 편광을 설명할 수 있다. 2) 말러스의 법칙을 실험으로 보여줄 수 있다. 3) 브루스터의 법칙을 설명할 수 있다. 4) 브루스터 각을 측정할 수 있다. 5) 점광원에서 나오는 빛의 세기는 거리의 역제곱의 관계가 있음을 보여줄 수 있다.

3. A. 편광 또는 편파(Polarization) 속도 로 축 방향으로 진행하는 전자기파. 전기장은 평면에서 진동하고, 자기장은 평면에서 진동한다. ==전자기파의 진행 지면에 수직인 진행방향에서 바라본 편광 되지 않은 빛. 전기장 벡터는 진행 방향에 수직인 어느 방향으로도 같은 확률을 갖고 진동할 수 있다. 수직 방향으로 진동하는 전기장 벡터를 갖는 선형 편광 된 빛

4. A. 편광 또는 편파(Polarization) 편광: 자연광은 진행방향에 대해서 직각인 모든 방향으로 진동을 하는데, 이와는 달리 한쪽 방향으로만 진동하는 빛 ① 빛이 편광판을 통과할 때, 복굴절이 일어날 때, 투명한 매질의 표면에서 반사 될 때 일어남      ② 편광 현상은 빛이 횡파임을 증명하는 증거

5. B. 말러스(Malus) 법칙 편광 방향 편광되지 않은 빛 편광기 수직 편광된 빛 편광기을 이용하여, 자연광을 한 방향으로 편광 된 빛을 얻을 수 있다. 편광기 하나를 더 이용하면, 편광된 빛의 방향을 바꿀 수 있다.

6. B. 말러스(Malus) 법칙 ==말러스의 법칙 성분은 편광되고 성분만 남는다. 편광 된 빛 파의 진폭이 배 감소 빛의 세기는 파의 진폭의 제곱에 비례하므로

7. C. 광 지연 ==단굴절과 복굴절(Briefringent) 단굴절 이란 진행파가 파장에 비해 원활한 경계면을 넘어 원래의 매질과 다른 매질 중에 진행하는 경우 또는 동일 매질이지만 온도차 등에 의해 파의 속도가 변화할 때에 진행 방향이 바뀌는 현상을 말한다. 등방성 매질에서 비등방성 매질로 들어가는 경우에는 일반적으로 파면이 둘로 나뉘어져 복굴절의 현상을 나타낸다.복굴절 이란빛의 편광방향에 대한 굴절률이 다른 경우, 입사한 빛의 파장이 같더라도 굴절률이 달라 빛이 갈라지는 현상을 말한다. ex) 비등방성물질: 방해석, 석영, 질산나트륨, 아황산나트륨, 염화아연 , 황화아연 (결정성 물질) ex) 등방성 물질: 비결정성 고분자나 유리, 액체, 기체

8. C. 광 지연 ==복굴절(Briefringent) 편광되지 않은 빛 방해석 이상광선 정상광선 정상적인 굴절의 법칙을 따르는 빛을 정상광선(o-광선 : ordinary ray), 비 정상적인 굴절을 하는 빛을 비정상광선(e-광선 : extraodinary ray)이라한다. 복굴절이 일어나는 이유는 비등방성 물질(결정)일경우 분자들이 일정한 형태로 배열을 한 상태가 되는데 이때 각각의 방향에 대해서 분자내의 전자밀도가 다르기 때문이다. 이들 전자에 의해 편광이 되고 그 결과 각각의 방향에 대해 다른 결과가 나오게 된다. 이렇게 빛의 2개의 횡방향 성분 사이에 상대적인 위상 지연이 생기는 현상을 광 지연이라고 한다. 광통신에서 복굴절이 심하게 일어나면, 신호 손실이 크므로 비등방성 물질을 광통신 선으로 사용한다.

9. C. 광 지연 z성분 벡터는 느리게 통과 위상차가 생긴다 X성분 벡터는 빠르게 통과

10. D.광 탄성 유리나 플라스틱과 같은 물질은 변형력을 받으면 복굴절이 일어 난다. 플라스틱에 변형력이 가해지면 가장 큰 변형력을 받은 영역이 복굴절이 나타 나며 플라스틱을 지나는 빛의 편광이 변한다. 이때 밝은 띠를 나타내는 곳은 가장 큰 변형력을 받는 곳에서 생기게 된다 무늬가 보이지 않음 무늬가 보임 사이버 실험실

11. E.광 활성 == 광활성: 빛이 어떤 물체를 통과하면서 편광이 돌아가는 현상을 말하며 이러한 특성을 가지는 것을 광활성체라고 한다.

12. E.광 활성 우회전성(dextrorotatory) 좌회전성(levorotatory) ==고유 광회전도 광학활성물질의 광회전능을 비교하는 척도이다. 물질 혹은 용액의 두께, 측정온도(T) 및 빛의 파장(λ)에 따라 다른 값을 가지므로 고유선광도는 물질 고유의 값으로서 다음과 같이 정의하며 α(T, λ)로 나타낸다. 고유 광회전도 = []T = 관측 광회전도(각도) 길이(m) x 농도(g/ml)

13. E.광 활성 ==광활성의 응용 (LCD) 빛이 투과 되지 않음 빛이 투과 됨 전압이 걸려 광활성이 되지 않은 액정 전압이 걸리지 않아 광활성이 된 액정

14. E.광 활성

15. F.브루스터 법칙 및 브루스터 각 평면에 평행 평면에 수직 입사광선, 반사광선, 굴절광선은 한 평면에 있다.

16. F.브루스터 법칙 및 부르스터 각 평면에 수직인 성분 평면에 평행인 성분 ==스넬의 법칙을 이용하여 부르스터각 를 구하기 과 관계 이용 모든 광선(입사광선, 굴절광선, 반사광선)은 법선과 같은 평면에 있다

17. F.브루스터 법칙 및 부르스터 각 ==브루스터 법칙의 응용 (유리 자르기) 유리 반사광선 없음 편광된 레이저 광선 브루스터 법칙을 이용하면 유리를 안전하게또 손실없이 자를 수 있다.

18. G. 광세기 대 거리 역제곱 법칙 4A 9A A 기준위치에서 빛의 세기 임의의 점에서 빛의 세기

19. 실험 방법 소개 • A B C D 진경택 • E F G 조정옥

20. 실험장비 및 재료 적색 LD 광원, light sensor arm, light sensor, 광학레일, LabPro sensor interface, PC, 렌즈받침대, Logger Pro 3 소프트웨어, 편광기 2개, 투명한 플라스틱 그릇 1개, 직사각 유리그릇 1개, 20% 설탕 용액 100ml, ‘ㄷ’자 아크릴 조각 1개, D형 렌즈, 촛불 모드 기능이 있는 손전등 1개, 자.

21. 실험방법 • A. 말러스 법칙 • B. 광 지연(Optical Retardation) • C. 광 탄상(Photo-elasticity) • D. 광 활성(Optical Activity) • E. LCD의 편광 특성 • F. 브루스터 법칙 및 브루스터 각 측정 실험 • G. 광세기 대 거리 역제곱 법칙

22. A. 말러스 법칙 실험 • 편광기 2개를 손으로 들고 겹쳐서 이들 편광기를 통해서 형광등 불빛을 눈으로 관찰한다. 실험자 가까이 있는 편광기를 돌려가면서 통과한 불빛의 세기를 관찰한다. • 적색 Laser광의 편광된 정도를 편광기 1개로 측정하여 본다. 편광기를 편광축을 돌려가면서 투과한 빛의 세기를 조사한다. • 그림 13.2 말러스 법칙 측정 실험 구성도를 준비한다. 광학 레일의 왼쪽부터 적색 레이저 광원, 제1 편광기(Polarizer), 제2 편광기(Analyzer), 광센서를 순서대로 배치하라. 광원 쪽의 제1 편광기는 편광축을 수직 기준으로 ‘0도’로 설정한다. 광센서 쪽의 제2 편광기의 편광축, 즉 편광축 사이각 ∅을 ‘0도~360도’로 바꾸면서 광센서에 들어오는 빛의 세기를 측정한다. 그림 13.3에 편광 실험 구성 사진을 제시하였다.

23. Polarizer 1 Polarizer 2 (Analyzer) Laser Diode Light Source Optical Rail Rotational Table Optical Sensor PC w. Logger Pro 3 LabPro 그림 13.2말러스 법칙 측정 실험 구성도

25. B. 광 지연(Optical Retardation) • 그림 13.4 광 지연 및 광 탄성 실험 구성도를 준비한다. • 제1 편광기의 편광축은 수직으로, 제2 편광기 편광축은 수평, 즉 90도로 하여 투과광이 전혀 나오지 못하게 한다. 이 상태에서 두 편광기 사이에 광 지연기(Optical Retarder)로 투명한 플라스틱 통의 뚜껑을 삽입하여 광 지연을 관찰한다. • 편광기 2개를 90도 어긋나게 겹치고 그 사이에 투명한 플라스틱 통의 뚜껑을 삽입한 채로 형광등 불빛을 본다.

26. Polarizer 1(Vertical) Optical Retarder (Plastic Cover, Lucite Chip) Laser Diode Light Source Polarizer 2 (Horizontal) Optical Rail Optical Sensor Rotational Table PC w. Logger Pro 3 LabPro 그림 13.4광 지연 및 광 탄성 실험 구성도

29. C. 광 탄성(Photo-elasticity) 1) 그림 13.4 ‘광 지연 및 광 탄성 실험 구성도’에서 광 탄성 물질로 두께 10mm 투명한 ‘ㄷ’자 모양 아크릴 조각을 샘플로 넣고 ‘ㄷ’끝을 손가락으로 누르면서 투과광이 어떻게 바뀌는지 관찰한다. 이 결과로부터 아크릴 조각의 광 탄성을 설명한다.

32. D. 광 활성(Optical Activity) 1) 광 활성 실험 구성도를 준비한다. 광 활성 물질로 유리 그릇에 담긴 두께 130mm 농도 20% 설탕물을 샘플로 넣고 빛이 투과되는지를 관찰한다. 빛이 투과하므로 편광축이 돌아갔음을 알 수 있다. 즉 설탕물에서 광 활성이 있음을 알 수 있다. 제2 편광기를 회전시키면서 빛의 세기가 최소 또는 완전히 못 통과하는 편광축의 회전각, 즉 광 활성각 ∅[도]을 측정한다. 이때 기준 각도는 수평 즉 90도이다. 단위 길이당 회전각 β[도/mm]는?

33. Polarizer 1(Vertical) Optical Activer (Sugar Syrup) Laser Diode Light Source Polarizer 2 Optical Rail Optical Sensor Rotational Table PC w. Logger Pro 3 LabPro 그림 13.5광 활성 실험 구성도

34. E. LCD의 편광 특성 1) LCD 모니터의 빛을 편광기를 통하여 편광축을 돌려가면서 관찰하라

35. F. 브루스터 법칙 및 브루스터 각 측정 실험 1) 브루스터 법칙 및 브루스터 각측정 실험 구성도를 준비한다. 광학레일 위에 왼쪽부터 적색 레이저 광원, 제1편광기, 제2편광기, D형 아크릴 샘플(렌즈 받침대 위에 설치), light sensor arm, light sensor를 순서대로 설치한다. 2) D형 렌즈의 입사각을 조정하면서 light sensor에 연결된 arm을 회전시켜서 D형 렌즈에 반사된 빛이 sensor에 들어가도록 맞추고 빛이 소멸되는 즉 브루스터 법칙을 확인한다. 이때의 입사각, 즉 브루스터 각Ɵ을 측정한다. 3) 브루스터 입사각에서 편광을 TE(편광이 입사면 직각)로 바꾸고, 즉 제2편광기의 편광축을 ‘0도’로 바꾸어 반사가 생기는 것을 확인한다.

36. TM Polarization Optical Sensor PC w. Logger Pro 3 Polarizer1 Polarizer 2 (Analyzer) LabPro Laser Diode Light Source D-Lens Optical Rail Rotational Table 그림 13.6브루스터 법칙 및 브루스터 각 측정 실험 구성도. TM 편광(수평편광) 입사

37. G. 광세기 대 거리 역제곱 법칙 실험 • 광세기 대 거리 역제곱 법칙 실험 구성도를 준비한다. 휴대형 손전등의 집광용 렌즈를 제거하여 점광원의 흉내를 낸다. 이 광원을 광학레일의 왼쪽 끝에 위치시키고, light sensor를 LabPro를 통해 PC에 연결한다. • 광원과 Light sensor 사이의 ‘거리 r[m]’(가로축)를 바꾸어 가면서 ‘광의 세기 I[Lux]’(세로축)를 Logger Pro 3의 ‘Event with Entry’모드로 측정 기록한다.

38. Candle Mode Flash Lamp Light Source Optical Rail Optical Sensor PC w. Logger Pro 3 LabPro 그림 13.7 광세기 대 거리 역제곱 법칙 실험 구성도