Optics
光學
1 개요
빛의 특성을 연구하는 응용물리 분야이다. 상당히 오랜 역사를 자랑하는 학문으로, 전자기학과 밀접한 관련이 있으며, 학문이 발달함에 따라 양자역학, 통계역학 등과도 많이 얽힌다. 물리학의 역사 및 응용물리 분야 안에서 큰 비중을 차지한다.
2 역사
인류 초기부터 생활에 빠질 수 없는 중요한 요소인 빛은 오래 전부터 인류의 주된 도구이자 연구 수단이었으며, 이미 아시리아에서 기원전 700년경 석영 등의 광물을 깎아서 만든 렌즈가 발굴될 정도로 빛의 대한 연구는 고대부터 중요한 학문의 한 부분이었다는 것이 알려져 있다.
본격적으로 물리학으로서의 광학은 17세기부터 본격적으로 연구되기 시작했다. 뉴턴은 고전 광학에서 큰 족적을 남긴 학자 중 한명으로, 프리즘에 태양광을 입사시켰을 때 나타나는 분광 현상 및 빛의 다양한 성질을 연구하고 발표했다.
이 시기에 하위헌스는 빛이 파동이라 생각하였으며, 반면에 뉴턴은 빛이 입자들의 흐름이라 생각하였다. 빛이 파동이냐 입자냐에 대한 논쟁은 20세기 초까지 이어지며, 빛의 파동설을 지지한 대표적인 학자는 토머스 영[1], 제임스 클러크 맥스웰[2] 등이 있으며, 빛의 입자설을 지지한 학자는 알버트 아인슈타인[3] 등이 있다. 이 논쟁의 결론은 양자역학의 정립과 함께 빛은 파동의 성질도 입자의 성질도 가지고 있다라는 식으로 나게 되며, 더 나아가 사실 빛 뿐만 아니라 모든 물질이 다 파동의 성질과 입자의 성질을 가진다라는 물질파 이론 개념까지 확장이 된다.
3 세부 분야
크게 광학은 고전적인 물리학으로서 기술되는 고전 광학, 양자 역학 등의 현대 물리까지 동원하는 현대 광학의 두 분야로 나눌 수 있으며, 더 세부적으로 들어가면 기하광학, 파동광학, 분광학, 양자광학, 비선형광학 등이 있다.
기하광학은 맥스웰 방정식에서 파장이 충분히 짧은 경우에 대한 근사적인 광학 이론이다. 빛을 빛살로 나타내며, 굴절과 반사 법칙을 이용하여 거울, 렌즈, 프리즘 등의 광학기기의 원리를 설명할 수 있다.
파동광학은 맥스웰 방정식에서 편광을 무시하고 빛이 한 종류의 파동, 또는 근사적으로 단색광이라 가정한 상태에서의 광학 이론이다. 기하광학의 모든 결론을 포함하고 있으며, 회절과 간섭 등 파동에서만 나타나는 현상들을 추가적으로 설명할 수 있다. 영의 간섭 실험으로부터 빛이 파동이라는 사실이 증명된 후 여러가지 종류의 간섭계가 등장하였다. 간섭 현상을 이용하면 매우 정밀한 측정이 가능하다. 또한, 빛이 광원으로부터 멀리 떨어지지 않은 경우에 해당하는 근접장에서의 광학계를 이용하여 파장보다 작은 영역의 분해능을 갖는 근접장 광학을 포함한다.
물리광학은 파동광학에서 편광에 대한 부분을 포함하는 광학 이론이다. 편광은 빛이 진행하는 방향에 대해 수직으로 갖는 두가지 자유도에 해당하는데, 전기장의 진동 방향을 편광의 방향으로 한다. 빛이 진행하는 방향에 대해서 수직인 평면을 하나 생각할 수 있고, 이 평면의 기저 벡터에 해당하는 두 성분이 편광의 두 성분이 된다. 복굴절, 광학 활성 등 편광에 따라 다르게 나타나는 물질의 성질을 설명할 수 있다.
양자광학은 빛을 구성하는 근본적 단위인 광자를 이용하여 광학 현상을 설명하는 이론이다. 파동광학과 물리광학의 모든 결론을 포함하며, 이들 이론은 플랑크 상수가 0에 가까운 경우에 대한 양자광학의 근사적인 이론이다. 또한, 양자역학의 직접적인 응용 이론이며, 따라서 양자역학의 많은 현상을 증명하는 실험이 양자광학으로 수행되었다. 흑체 복사 이론, 레이저에 관한 이론, 빛의 쥐어짜인 상태(Squeezed state of light), 전자기적으로 유도된 투명도(Electromagnetically induced transparency) 등에 관한 이론을 포함한다.
비선형 광학은 빛의 세기가 매우 강하여 빛에 대한 물질의 반응이 더이상 선형적이지 않은 경우에 대한 이론이다. 고차조화파 발생, 사광파혼합, 라만 산란, 브릴루앙 산란, 커 효과 등이 비선형 광학으로 설명할 수 있는 현상들이다.