Ch. 5-3 광학

참고서적(1) 존 그리빈 원저, 강윤재, 김옥진 옮김, "과학:사람들이 알아야 할 모든것", 들녘 (2004).(2) 제임스 E. 매클렐란 3세, 해럴드 도른 원저, 전대호 옮김, "과학과 기술로 본 세계사 강의", 모티브북 (2006).(3) 김학수, “빛 이야기” (현대광학 이전)

고대 그리스

Early Greek and Roman historians report that Archimedes equipped several hundred people with metal mirrors to focus sunlight onto Roman warships in the battle of Syracuse (213 -211 BCE).

Early Greek and Roman historians report that Archimedes equipped several hundred people with metal mirrors to focus sunlight onto Roman warships in the battle of Syracuse (213 -211 BCE).

빛은 직진한다! à 반사와 굴절

프톨레마이오스 Ptolemy(Ptolemy of Alexandia; 87-150 AD)

• 빛의 굴절 현상 관측.

Ibn al-Haitham (965-1040)• Alhacen 혹은 Alhazen• “광학의 아버지”• 눈의 연구, 반사/굴절 실험• 그리스의 시선론 à 현대적 시

각론 확립• Kitab al-Manazir (Book of

Optics) 간단히 “Optics”는 12-13 c 라틴어로 번역되어 유럽에 널리 보급됨.

• Alhacen 혹은 Alhazen• “광학의 아버지”• 눈의 연구, 반사/굴절 실험• 그리스의 시선론 à 현대적 시

각론 확립• Kitab al-Manazir (Book of

Optics) 간단히 “Optics”는 12-13 c 라틴어로 번역되어 유럽에 널리 보급됨.

Johannes Kepler (1571-1630)

광학 연구: 시력 교정용 안경, 굴절법칙 설명시도 (ß Snell의 법칙)

실용적인 Lens의 등장

(고대부터 “burning glass” 존재)

광학 연구: 시력 교정용 안경, 굴절법칙 설명시도 (ß Snell의 법칙)

실용적인 Lens의 등장

(고대부터 “burning glass” 존재)

렌즈 – 빛살의 진행

Galileo Galilei (1564 ~ 1642)

• 직접 렌즈를 사용한 망원경을 만들어 여러 천체 관측

à 달표면, 목성의 위성, 태양의 흑점, 금성의 위상변화, 은하수의 정체 등을 발견.

• 직접 렌즈를 사용한 망원경을 만들어 여러 천체 관측

à 달표면, 목성의 위성, 태양의 흑점, 금성의 위상변화, 은하수의 정체 등을 발견.

스넬 Willebrord Snellius

• Willebrord Snellius (Willebrord Snel van Royen or Willebrand Snell) (1580–October 30, 1626)

• 네덜란드 천문학자·물리학자. 레이덴 출생. 1613년 아버지의 뒤를 이어서 레이덴대학 수학교수가 되었다. 1620년 빛의 굴절법칙(스넬의 법칙)을 실험적으로 발견하였지만, 논문으로 공표하지는 않았다. 그러나 후에 데카르트가 이론적으로 굴절의 법칙을 논한 것이 기회가 되어 세상에 알려지게 되었다.

n sin q = n’ sin q’

페르마 Pierre de Fermat (1601∼1665)

q

q’

n

n’

A

• 프랑스 수학자·정치가. • R. 데카르트·B. 파스칼 등과 서신 교환, 그 서간은 결론으로 얻어진 정리만 표시하

고 증명방법을 풀이하지 않고, 과제를 제시하였다. • 미적분 연구에서는 곡선의 접선을 구하는 방법을 극값의 문제에 유도하여 미분 개

념에 도달시켰고, 이것과 관련하여 극대·극소 문제를 연구하였으며, • 이를 광학(光學)에 응용하여 페르마의 원리를 발견하였다.

- 빛살(ray)은 가장 빠른 경로를 택해 진행한다!

q’

Bà 경로가 à 경로보다 빠르다!

Christiaan Huygens (1629 ~ 1695)

• 빛의 파동설 à ‘호이겐스 원리’

굴절 – 입자 or 파동?

굴절과 전반사 (n>n’)

Isaac Newton (1643-1727)

Input white beam

Dispersed beam

• ‘여러 가지 색의 빛이 모여 백색광을 만든다.’• ‘광학’ 저술. 빛 입자론 주장.• Newton Ring 발견??

Prism

빛의 혼합 (RGB)

색 - 선택적 흡수와 반사

Newton Ring

영 Thomas Young (1773 ~ 1829)

영국의 의사·물리학자• 빛의 간섭 원리를 발견. (Young의 이중슬릿 실

험 발표 1807 à Newton의 입자설과 Huygens의 파동설을 정면으로 비교)

• 고대 이집트 상형 문자의 해독에 기여.

영국의 의사·물리학자• 빛의 간섭 원리를 발견. (Young의 이중슬릿 실

험 발표 1807 à Newton의 입자설과 Huygens의 파동설을 정면으로 비교)

• 고대 이집트 상형 문자의 해독에 기여.

수면파 빛

비누막의 간섭

프레넬 Augustin-Jean Fresnel (1788 –1827)• 파리의 이공과대학에서 토목공학을 공부하고 수년

간 노르망디 관청 토목기사로 근무.• 1815년 논문 《빛의 회절(回折)에 관하여》에서 빛

의 입자설을 비판하고, 호이겐스의 원리에 나타난개념과 간섭의 원리를 바탕으로 빛의 회절현상을설명.

• 아라고와 함께 편광과 복굴절에 관한 실험으로 횡파(가로파)라는 결론을 얻었다.

• Arago’s spot (Poisson’s bright spot) – 그림자 안의 밝은 점. 프랑스 과학 아카데미에 제출된 논문을 심사: Poisson, Biot, Laplace

• 파리의 이공과대학에서 토목공학을 공부하고 수년간 노르망디 관청 토목기사로 근무.

• 1815년 논문 《빛의 회절(回折)에 관하여》에서 빛의 입자설을 비판하고, 호이겐스의 원리에 나타난개념과 간섭의 원리를 바탕으로 빛의 회절현상을설명.

• 아라고와 함께 편광과 복굴절에 관한 실험으로 횡파(가로파)라는 결론을 얻었다.

• Arago’s spot (Poisson’s bright spot) – 그림자 안의 밝은 점. 프랑스 과학 아카데미에 제출된 논문을 심사: Poisson, Biot, Laplace

아라고의 반점

빛은 직진하지 않는다!

피조 Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819 ~ 1896)

• 회전하는 톱니바퀴를 이용하여 광속도를 측정하였는데, 그것은 종전Ole Rømer의 천문학적 방법과는 달리 지상의 실험실 규모로 하였다는 것이 획기적인 일이었다. (1849)

à 이 방법을 Foucault가 발전시켜 광속을 매우 정확히 측정: 298,000 km/s(현대 측정치: c = 299,792.458 km/s)

피조의 실험

James Clerk Maxwell (1831-1879)• 1857 기체분자속도 분포함수

• 1864 전자기장의 동역학적 이론– Faraday의 실험결과로부터Maxwell 방정식 수립.

à 파동방정식à 전자기파 예측

• 앙상블 개념으로 깁스통계 역학기초

• 초대 Cavendish 연구소장

“전자기학과 광학의 융합”

• 1857 기체분자속도 분포함수

• 1864 전자기장의 동역학적 이론– Faraday의 실험결과로부터Maxwell 방정식 수립.

à 파동방정식à 전자기파 예측

• 앙상블 개념으로 깁스통계 역학기초

• 초대 Cavendish 연구소장

“전자기학과 광학의 융합”/

0

BE EtEB Bt

¶r e¶¶me¶

Ñ × = Ñ´ = -

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rr r r r

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전자기파의 실증

• Heinrich Hertz가 라디오파 발생 실험(1887): 전자기파는 빛처럼 반사, 굴절, 흡수 등을 함.

• 특히, 입사파와 반사파를 합성시켜 정지파(standing wave)를 관측함.

à 전자기파의 ‘파장’을 최초로 측정.

Albert Abraham Michelson (1852 ~ 1931)

• 미국의 물리학자

• 폴란드의 스트렐노에서 태어났으나, 1854년 미국으로 이주하였다. 아나폴리스 해군 사관 학교를 졸업한 뒤 모교에서 물리·화학을 강의하였으며, 그 동안 광학·음향학에 흥미를 가져 광속도 측정 실험에 착수하였고, 카드뮴 광의 파장을 기준으로 하는 표준 미터의 값을 실측하여 도량형의 기준을 정하는 데 공헌하였다.

• 그 뒤 광속의 정밀 측정에 종사하는 한편, 천체 관측에도 관심을 기울여목성의 위성의 지름을 측정하기도 하였다.

• 1907년 미국인 최초로 노벨 물리학상을 받았다. • 1926년 마이켈슨-몰리 간섭계 – 에테르의 존재 증명시도• 주요 저서로는 《광속》 《광파와 이용》 등이 있다.

간섭무늬의 사진 (예)

The LIGO project à 중력파 측정 목적

가동 23 년만에 첫 중력파 측정 (2016. 2월 발표)

LIGO Hanford 관측소 (미국 워싱턴 주 Richland 소재). (Photo courtesy of Corey Gray, LIGO Laboratory)

Albert Einstein

E(광자) = hν

• 아인슈타인 (Albert Einstein, 1879.3.14 ~ 1955.4.1)미국의 이론 물리학자

광전 효과 연구와 이론 물리학에 기여한 업적으로 1921년 노벨 물리학상을 수상하였다.

• 빛의 유도방출 이론 à 레이저의 기초

광전효과

광자 하나의 에너지 E = hn(h : 플랑크 상수, n : 빛의 주파수)

드브로이 Louis Victor de Broglie (1892 ~ 1987)

• 프랑스의 이론 물리학자

• 소르본 대학에서 공부하였으며, 1924년 ‘양자론의연구’라는 논문에 물질파에 관한 견해를 제시하였다.

• 전자와 이에 따르는 파동과의 관계식은 아인슈타인 등의 지지를 받았다. 파장 l = h/p (p: 운동량)à 파동과 입자의 이중성 (duality)

• 1929년 파동 역학 연구의 업적으로 노벨 물리학상을 수상하였으며, 프랑스 최고의 훈장인 Legion d’Honeur 를 받았다.

• 프랑스의 이론 물리학자

• 소르본 대학에서 공부하였으며, 1924년 ‘양자론의연구’라는 논문에 물질파에 관한 견해를 제시하였다.

• 전자와 이에 따르는 파동과의 관계식은 아인슈타인 등의 지지를 받았다. 파장 l = h/p (p: 운동량)à 파동과 입자의 이중성 (duality)

• 1929년 파동 역학 연구의 업적으로 노벨 물리학상을 수상하였으며, 프랑스 최고의 훈장인 Legion d’Honeur 를 받았다.

타운스 Charles Hard Townes• 타운스 (1915.7.28 ~ )

미국의 물리학자

캘리포니아 공과 대학을 졸업한 뒤, 벨 전화 연구소에서 연구원으로 일하였다. 1950년 컬럼비아 대학 교수가 되었으며, 마이크로파를 사용한 분광학에서 분자 구조의 연구를개척하여, 분자 물리학과 마이크로파 응용 기술에 공헌하였다.

• 또, 원자 시계의 제작, 암모니아 분자, 자성체를 사용한 미약 전류의 증폭과 발진을 위한 새로운 장치인 분자 증폭기를 발명하여 전파 천문학 등의 분야에 크게 기여하였다.

• 1960년 레이저를 발명하였으며, 1964년 메이저·레이저 발명의 업적으로, 소련의 바소프·프로호로프와 함께 노벨 물리학상을 받았다.

• UC-Berkeley 교수이며 1997년 부산대에서 강연하고 명예박사 학위를 받았다.

• 저서로는 《마이크로파 분광학》이 있다.

• 타운스 (1915.7.28 ~ )미국의 물리학자

캘리포니아 공과 대학을 졸업한 뒤, 벨 전화 연구소에서 연구원으로 일하였다. 1950년 컬럼비아 대학 교수가 되었으며, 마이크로파를 사용한 분광학에서 분자 구조의 연구를개척하여, 분자 물리학과 마이크로파 응용 기술에 공헌하였다.

• 또, 원자 시계의 제작, 암모니아 분자, 자성체를 사용한 미약 전류의 증폭과 발진을 위한 새로운 장치인 분자 증폭기를 발명하여 전파 천문학 등의 분야에 크게 기여하였다.

• 1960년 레이저를 발명하였으며, 1964년 메이저·레이저 발명의 업적으로, 소련의 바소프·프로호로프와 함께 노벨 물리학상을 받았다.

• UC-Berkeley 교수이며 1997년 부산대에서 강연하고 명예박사 학위를 받았다.

• 저서로는 《마이크로파 분광학》이 있다.

Theodore Harold Maiman

• Theodore Harold Maiman (1927-2007) was an American physicist who invented the first operable laser device (U.S. Patent 3353115 ). He is the author of a book titled "The Laser Odyssey".

• He attended the University of Colorado and received a B.S. in engineering physics in 1949 then went on to do graduate work at Stanford University, where he received an M.S. in electrical engineering in 1951 and a Ph.D. in physics in 1955.

• Maiman's laser, based on a synthetic ruby crystal grown by Dr. Ralph L. Hutcheson, was first operated on 16 May 1960 at Hughes Research Laboratories in Malibu, California. After a protracted legal battle, some key laser patents were awarded to Gordon Gould.

• Due to his work on the laser, he was twice nominated for a Nobel Prize. He was the recipient of the 1983/84 Physics Prize, and was inducted into the National Inventors Hall of Fame that same year.

Modern lasers and applications• 색(파장), 출력, 연속파/펄스, 결맞음성, …

• 계측, 가공, display 등 매우 다양

• 과학연구, 방위산업, 광통신, 광메모리, 의료, 산업생산, 가전제품, 레저 및 예술, …

• 분광학, 초정밀 측정, 핵융합, 절단/가공, laser cooling, targeting, marking, 광디스크, laser display, 등등.

• 반도체레이저 (Laser Diode)와 광섬유레이저의 활용도가 커짐.

• 색(파장), 출력, 연속파/펄스, 결맞음성, …

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