빛의 간섭

1. 빛의 간섭

19세기 초 토마스영에 의해 빛의 파동설이 다시 부각될 때 증거로 삼은 것이 비의 간섭현상이었다. 뉴턴 링이라 하는 빛의 간섭예가 입자론 주창자인 뉴턴에 의해 일찍이 발견되었지만 그로부터 150년에 가까운 세월이 지난 후 영은 이에 대해 파동설로 정확한 해석을 할 수 있었고, 아울러 유명한 이중슬릿 실험을 하였다. 이후 프레넬, 프라운호퍼 등에 의해 여러 가지 간섭과 회절현상이 관찰되어 빛의 파동설은 증명되었다.

이중슬릿

빛의 파동은 진폭의 제곱인 밝기가 명암의 차이로 나타나 직접 눈으로 볼 수 있기 때문에 공간적인 분포를 관찰할 수 있다. 따라서 간섭 결과도 공간에 간섭무늬(Fringe) 형태로 뚜렷이 나타나고 파장이 극히 짧아 개별적인 파형을 측정하기 어렵지만 간섭무늬 규모는 눈에 보일 정도로 크게 나타나서 빛의 파동 성질을 연구하는데 중요한 도구가 된다.

위 이중슬롯, 아래 단일 슬롯

두 개의 빛이 합성되어 생기는 간섭으로 가간섭성인 두 파를 만드는 조건에 따라 영의 간섭, 마이켈슨 간섭, 마하젠더 간섭 등이 있고 빛의 본성에 대한 연구, 빛의 파장 측정, 물질의 광학적 성질 측정 등에 널리 활용되고 있다. 특히 최근에는 레이저를 이용한 수준 높은 가간섭성 빛을 쉽게 만들 수 있어 거리의 정밀 측정 등 산업 분야에 응용되고 있다.

레이저

 

한편 두 개 이상의 파동이 만드는 간섭, 무한개의 파동이 만드는 간섭도 특이한 간섭무늬를 만들게 된다. 빛일 경우 두 개의 거울 사이를 왕복한 여러 파들이 합성되어 만드는 파브리-페로 간섭, 비눗방울 등 얇은 막이 만드는 박막 간섭 등이 있다.

 

2. 간섭과 회절

간섭은 파동이 가지고 있는 일반적인 현상이지만 빛의 간섭은 보통 파동에 비해 몇 가지 차이가 있다.

첫째, 다른 파동과 달리 빛은 파형을 인위적으로 조절하기 곤란하고 가간섭성 빛을 만드는 것이 힘들다.

둘째, 스크린 상에서 간섭 결과가 관측된다.

셋째, 수백 나노미터나 수 마이크로미터 규모의 위치 차이에 의해 간섭이 생긴다.

 

회절은 파동이 진행하는 경로 상에 장애물이 놓여 있더라도 이를 우회하여 그림자 영역에 비이 미칠 수 있는 현상을 말하지만 우회하는 여러 파동들이 만나서 이루는 간섭현상을 말하기도 한다. 따라서 회절을 간섭으로부터 구분하는 것은 불가능하다. 즉 우리가 보통 "간섭"과 "회절"이라 하는 것은 원래 의미인 회절현상에 의해 진행방향이 다르게 우회하는 여러 파동들이 만나서 나타나는 간섭 현상이 공간에 특이한 무늬를 형성하는 것을 말한다.

물의 간섭

그러나 관례적으로 간섭이라 할 때에는 각 파동의 위상차가 불연속으로 되어 있을 때를 말하고, 회절은 위상차가 연속적으로 변하는 경우를 말한다. 유한개의 파동이 만나는 경우를 간섭, 무한개의 파동이 만나는 경우를 회절이라 하기도 하지만 이는 정확한 표현이 아니다.

박막의 간섭은 박막 속을 반사하고 투과하는 무한히 많은 빛이 만난 결과이지만 간섭이라 하기 때문이다.

회절의 원리

간섭과 회절이 같은 물리적인 현상이기는 하지만 그 결과로 생기는 무늬는 뚜렷한 차이가 있다. 보편적으로 간섭무늬는 넓은 범위에 걸쳐 그 강약 정도가 별로 변하지 않으나 회절 무늬는 주변부로 강수록 점차 어두워 진다.