전자기학 및 광학 기초 이론(3) - 편광의 개념

•    빛의 전파, 전자기파

어떤 지점에 위치하고 있는 자유전자를 상하 방향으로 진동하는 운동을 하게 되면, 이 과정에서 상하 방향으로 진동하는 전기장이 발생한다. 또 이 전기장의 시간적 변화 때문에 이 전기장과 수직인 방향으로 진동하는 자기장이 발생한다. 

 

출처: 천재 학습 백과

• 편광의 개념

빛은 전자기파이며 

진행 방향에 수직인 임의의 평면에서 전기장의 방향이 일정한 빛을 편광(polarized light)이라고 한다. 이러한 빛의 전기장의 방향으로 편광의 방향(polarization)을 구별한다. 1809년 E. L. 말뤼스가 이 현상을 발견하였다. 말뤼스는 평평한 면에서의 반사광이 편광의 성질을 가진다는 것을 창유리에서 반사된 저녁 햇빛을 방해석을 통해서 보다가 발견하였다.

 

이러한 빛의 경우에 전기장과 자기장도 서로 수직이므로 전기장의 방향을 알면 자기장의 방향도 알 수 있다. 빛이 물질과 상호작용을 할 때 물질 속의 전자가 빛의 자기장보다는 전기장에 의해 더 큰 영향을 받기 때문에 전자기파의 편극 및 빛의 편광 방향은 전기장의 방향을 기준으로 사용한다.

 

빛의 진행경로를 나타내는 직선으로 빛을 표시하는 모형으로 설명하면 우리가 일반적으로 보는 빛은 수많은 평행 직선들의 다발로 이루어져 있다. 두 개의 평행 직선으로 이루어진 빛을 생각하면, 이 두 직선에 동시에 수직인 임의의 평면에서 두 빛의 전기장의 방향이 같으면 편광이 되어있다고 말한다. 실제로는 무수히 많은 직선 다발에 해당하는 모든 빛의 전기장의 방향이 같은 것을 의미한다. 빛의 진행 방향을 나타내는 화살모양의 직선은 빛다발(light bundle)을 의미한다. 위에서 두 직선을 생각했지만 빛다발은 무수히 많은 직선이 구별할 수 없이 모여있는 것으로 보아야 한다. 

 

우리의 주위의 광원은 그 광원의 수많은 원자가 원자를 이루는 전자의 배치가 바뀌면서 빛을 내게 된다. 이 경우 원자들은 무질서한 상태에 있으면서 빛을 내기 때문에 각각의 빛의 줄기는 제멋대로의 선형편광과 원형 편광이 어우러져 있다. 또한 원자가 내는 빛의 줄기의 길이도 수 cm정도에 불과하고, 또한 지속시간도 10-8초 미만이 된다. 이렇게 완전하게 제멋대로의 편광상태의 빛의 집단을 편광되지 않은 빛(무편광광 : unpolarized light)라고 한다.

태양에서 오는 자연광은 모든 방향의 전기장이 거의 균일하게 포함된 편광 되어있지 않은 빛(unpolarized light)이다. 일정한 편광의 빛만 통과시키는 필터 역할을 하는 편광자를 두 개 겹쳐두고 하나를 회전시켜보면 비편광의 경우에는 편광자를 통과한 빛의 세기에 아무런 변화가 없지만 편광의 경우에는 빛의 세기가 변하는 것을 볼 수 있다. 

그러나 광원에 따라 발광 원자가 어떤 질서를 이룰 수도 있어 특별한 편광의 빛이 약간 포함되어 있거나 100%일 수 있다. 편광되지 않은 빛과 특별한 편광상태가 혼합된 편광을 부분편광의 빛(partially polarized light)이라고 한다.

 

편광의 종류에는 선형편광, 원형편광, 타원형편광이 있다.

일반적으로 벡터를 이용해 편광상태를 설명하는데, 전자기파를 이루는 전기장과 자기장의 벡터는 서로 수직이고, 그 크기가 서로 비례하기 때문에, 자기장의 벡터만을 설명하고 전기장 벡터는 흔히 생략한다.

이때 자기장을 x축과 y축의 두 수직인성분으로 구성된 임의의 벡터로 생각할 수 있다. (z축은 파의 진행방향으로 가정한다) 자기장 벡터의 진폭은 코사인 곡선의 형태로 변화하며, 대부분의 전자기파에서 진동수와 진폭은 끊임없이 변화하는데 전자기파의 진행 방향을 마주 보았을 때 그 벡터의 진동이 항상 특정한 방향을 갖는 것은 아니며, 다음과 같은 세 종류로 나눌 수 있다.

출처: doopedia.co.kr

- 직선편광(linear polarization): 자기장 벡터가 입사 평면 내에서 특정한 방향의 반직선을 그리는 경우로 이 반직선의 방향은 두 성분의 벡터 합에 따라 결정된다. 즉, 전기장 벡터와 자기장 벡터의 위상이 같고 같은 크기를 갖는다면, 직선편광이라고 한다.

- 원편광(circular polarization): 자기장 벡터가 입사평면에서 두 성분의 벡터합이 원형으로 계속 변화하는 경우. 두 성분의 진폭이 정확히 같고 위상차가 90˚일 경우이다. 이때 y성분의 위상이 x성분보다 90˚ 앞서면 편광상태는 시계방향으로 회전하고 이것을 좌원편광(left-circular polarization)이라고 하며, 반대로 x성분의 위상이 y성분보다 90˚앞설 경우 편광상태는 반시계방향으로 회전하며 이를 우원편광(right-circular polarization)이라고 한다.

- 타원편광(elliptical polarization): 직선편광과 원편광이 아닌 다른 모든 경우. 즉 합성된 자기장 벡터가 회전하면서 크기도 변하는 경우 편광상태는 타원을 그리게 되는데 이것을 타원편광이라고 한다. 사실 직선편광이나 원편광은 타원편광의 특수한 형태라 할 수 있으며, 타원편광이 편광현상의 가장 일반적인 형태이다.

 

• 편광자(Polarizer)

편광상태가 무질서하게 섞여 있는 "편광안된 빛"에서 특정한 방향으로의 선형편광된 빛을 선택적으로 투과시키는 광학기구를 편광자(polarizer)라고 한다. 편광자는 폴라로이드, 이색성 결정, 복굴절 프리즘 등 여러 가지가 있다.