광학실험(부산대학교, 2013)
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작성일 23-01-24 19:51
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(TM, TE모두). 또한 實驗방법3과 같이 實驗하는 이유는 편광자가 90도만큼 회전되어 있으면 기존에 여러 방향 ingredient을 모두 가지고 있던 전기장이 TE모드에 맞도록 경계면과 평행한 ingredient을 제외하고 나머지는 통과하지 못하기 때문이다.
결론적으로 이번 實驗은 투명한 매질의 굴절률 측정(測定) 에 주로 사용되는 가장 기본적인 방법인 최소편이각법을 이용하여 프리즘의 굴절률을 실제로 측정(測定) 해보는 實驗이었다.
뉴턴링
설명
의 상대오차로 측정(測定) 되었다.
마지막으로 파장차이가 크지 않은 Yellow(578nm)와 Green(546nm)의 뉴턴링을 구별해내는 것에는 실패하였다.(Blue(436nm)는 나머지 파장의 빛과 뉴턴링을 구별하였다. 첫 번째 實驗의 경우 보상판을 사용하지 않아 광로차를 증가시킴에 따라 실제파장에 가까워지는 경향성을 observation할 수 있었으며 그 결과는 합리적으로 實驗分析에서 언급하였다. 또한 두 번째 實驗을 통하여 파장이 증가함에 따라 최소편이각이 작게 측정(測定) 됨을 알 수 있었다. 따라서 투과율은 감소할 것으로 예측된다된다.
이번 實驗은 슬릿을 통하여 빛이 회절하는 현상을 복사조도와 중심축으로부터의 각을 통하여 회절무늬를 分析하였다. TM모드는 반대로 자기장이므로 전기장과는 반대로 돌려주어야 경계면과 수직하게 된다된다.
반사율 측정(measurement)
광학실험(부산대학교, 2013)
이번 實驗은 위상지연판을 이용하여 선편광과 원편광, 그리고 타원 편광을 만들고 그 결과를 통해 편광의 종류를 확인하는 實驗이었다. 또한 이 實驗에서 나타난 변수사이의 경향성은 총 세 가지로 먼저 N과 r^2의 선형관계가 있다. 이 것이 바로 회절의 일반적인 결론이고 우리 實驗으로부터 얻을 수 있었다.
뉴턴링
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다시 말해서 우리는 세 實驗을 통하여 프리즘의 꼭지각과 각 파장별 굴절률과 최소편이각, 그리고 입사각에 따른 편이각의 함수관계를 얻을 수 있었다. 이것은 매우 특이한 성질로 직관과 위배된다된다. 이는 단색광이 아니기 때문에 파장이 증가함에 따라 굴절률이 크게 측정(測定) 되기 때문에 발생하였다. 뿐만 아니라 입사각이 0도 일 때의 반사율을 理論(이론)적으로 검증해보면 정확히 0.04로 같다. 첫 번째로 파장이 짧을수록 근사하여 계산한 R과 근사하지 않고 계산한 R의 상대오차가 줄어들 것으로 예측하였고 두 번째로는 박막의 두께 d가 증가하면(이 경우 N 증가로 인한 d의 증가) 광로차가 증가하여 결국 샤프한(sharp)간섭무늬를 만드는데 반하여 d가 작을수록 간섭무늬의 폭(간섭무늬 사이의 간격이 아님!!!)이 증가할 것으로 예측할 수 있었다. 이를 통해 편광된 빛이 어떻게 반사하고 투과하는지를 알 수 있었는데 TE모드 즉 전기장이 경계면에 평행하게 편광된 빛은 각도가 증가함에 따라 반사율이 증가하였다. 우리는 주어진 광원인, 헬륨, 수은, 네온, 수소 총 네가지 경우에 대해 분포를 얻었다. 마지막으로 이 회절현상도 근본적으로는 간섭현상임을 알 수 있었다. 뿐만 아니라 분해능도 증가하기 때문에 이웃한 영역의 파장을 더 잘 구분 할 수 있게 되어 더 많은 파장을 관측할 수 있었다. 그러나 우리는 理論(이론)적 검증과 實驗적 결과가 상대오차 0.55%이내에서 매우 정교하게 일치하였기 때문에 자기장과 경계면이 나란한 편광빛의 경우 반사율이 0이되는 “브루스터 각”이 존재함을 實驗적으로 검증하였다. 결론적으로, 단일슬릿의 경우는 복사조도가 sinc함수의 제곱에 비례하며 와 같이 주어짐을 결론지을 수 있었다. 우리 實驗의 결과로는 첫 번째 헬륨-네온 레이저의 파장은 실제파장인 633nm에 대해 3.4~5.8%의 상대오차로 측정(測定) 되었으며 두 번째 나트륨 등의 경우 실제 파장 589에 대하여 0.8~6.9%
2013년 부산대학교 광학실험 레포트 그래프는 오리진으로 그렸음. 뉴턴링 마이컬슨 간섭계 반사율 측정 슬릿에 의한 회절 위상 지연판 회절격자 프리즘의 굴절률 측정
슬릿에 의한 회절
순서
프리즘의 굴절률 측정(measurement)
마이컬슨 간섭계
결론적으로 이 實驗을 통해 편광된 빛은 임의적으로 반사와 투과를 결정하는 것이 아니라 프레넬 방정식에 따라 반사/투과가 입사각과 상대굴절률에 의해 정확히 결정된 값을 갖는다는 것을 實驗적으로 검증하였다고 할 수 있다. 하지만 첫 번째 實驗에서는 매우 부정확한 결론에 도달하였는데, 그 이유는 광원의 결맞음 시간과 광원의 두께를 조절하지 않고 實驗하였기 때문이었다. 즉 實驗理論(이론)에 기술한 식
이 번 實驗은 마이켈슨 간섭계를 이용하여 빛의 파장과 결맞음 길이를 측정(測定) 해보는 實驗이었다. 세 번째는 R을 근사식이 아닌 기존식의 변형을 통해 계산한 결과 R과 N이 선형관계를 띄지 않고 거의 일정한 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 반면 TM모드의 경우 각도가 증가 함에 따라 반사율이 감소하다가 증가하게 되며 심지어 반사율이 0이 되는 각이 존재한다.
세 번째 實驗은 우리가 측정(測定) 한 프리즘의 굴절률은 1.867(Yellow, 파장 600nm)으로 실제 1.5보다 약 24% 크게 측정(測定) 되었다.)
또한 이중슬릿의 경우에는 (여기서 a는 슬릿사이의 간격이다)으로 이중슬릿에 cos^2항이 곱해진 형태로 주어짐을 알 수 있었다. 그 결과 슬릿의 폭이 증가할수록 중심으로부터 급격한 복사조도의 감소가 일어났다. 두 번째 實驗의 경우는 보상판을 사용하여 경향성은 observation되지 않았으며 합리적이었다. 즉, 슬릿의 폭은 좁을수록 파장은 길수록 느리게 감소하였다. 먼저 반사/굴절의 법칙과 프리즘의 구조가 삼각형임을 이용하여 꼭지각을 측정(測定) 하였고 그 결과 38.15도라는 평균값을 얻었다. 또한 Red와 green에 대하여(대역필터) 결맞음 길이를 각각 측정(測定) 한 결과 Red>Green이었는데 이 것은 파장의 길이에 비례하므로 합리적임을 알 수 있다. 반면 우리는 레이저의 결맞음 길이는 측정(測定) 하지 않았는데 그 이유는 레이저의 경우 결맞음 길이를 매우 길게하여 이상적으로 만들어진 것이므로 우리가 가진 광로차조절기로는 측정(測定) 할 수 없었기 때문이다. 또한 두 편광판을 통과하는 경우 편광판 사이의 각에 의해 복사조도가 결정되는 법칙인 Malus 법칙 을 그래프 대조를 통해 확인한 결과, 우리가 5도 간격으로 측정(測定) 하여 발생한 오차로 인해 x축으로 약 10도 정도의 평행이동한 것을 제외하고는 우리들의 결과와 일치하였음을 보일 수 있었다.
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위상 지연판
이번 實驗에서는 구면렌즈와 평면판이 만들어내는 d의 분포에 대한 간섭무늬를 관측하여 결과를 얻는 實驗이었는데 “근사”가 實驗적 관측에 미치는 effect(영향) 이 클 수 있다는 사실을 간과하면 實驗적 오차가 크게 발생하게 됨을 알 수 있었다. 두 번째는 측정(測定) 값 r로부터 근사하여 계산된 R이 N이 증가함에 따라 exponential하게 감소하는 것을 확인하였다. 또한 연속적인 스펙트럼을 갖는 수소와 네온등의 경우 네온등이 더 긴 파장 영역대를 포함하고 있었으며 수소등은 더 짧은 파장 영역대를 가진 광원으로 관측됨을 알 수 있었다. 이 것은 자명한 사실로 파장이 증가함에 따라 굴절률이 증가하고 굴절률이 증가함에 따라 다음과 같은 식에 의해 최소편이각이 감소함을 알 수 있었다. 먼저 빛의 파장의 경우 두 가지 간섭조건을 이용하여 쉽게 알아낼 수 있으며, 결맞음 길이의 경우 Fourie Transformation의 결과를 이용하여 결과적으로 간섭무늬가 사라지기까지의 광로차로 생각할 수 있음을 알았다. 그 결과 1/2 파장 위상지연판의 경우 선편광을 만들고 1/4 파장의 경우 45도 만큼 돌리면 편광 빛의 복사조도(irradiance)는 일정하지만 방향은 회전하는 원 편광을 만들 수 있었다.
회절격자
슬릿에 의한 회절
이번 實驗은 회절격자를 이용하여 빛의 스펙트럼 분포를 얻는 實驗이었다. 이것은 4.實驗결과에서 linear fitting을 통하여 피어슨계수가 1에 수렴하는 것을 확인함으로써 입증하였다.)
회절격자
프리즘의 굴절률 측정(測定)
반사율 측정(測定)
위상 지연판
그래프는 오리진으로 그렸음.
뉴턴링 마이컬슨 간섭계 반사율 측정 슬릿에 의한 회절 위상 지연판 회절격자 프리즘의 굴절률 측정
그리고 데이터부족으로 인해 결론짓기 힘들지만 두 가지 예측을 하였다. 헬륨과 수은의 경우 포함하는 파장의 빛이 연속적이지 않았으며 반면 네온과 수소의 경우는 스펙트럼띠를 형성하였다. 두 번째 實驗부터는 조리개를 이용하여 매우 작은 구멍사이로 레이저를 통과시켜 實驗하였기 때문에 예상했던 결론과 합치하는 결과를 얻었다. 즉 우리는 간섭계의 간섭무늬를 해석하여 광원(source)에 대한 정보를 分析할 수 있음을 알았다. 따라서 파장을 고려한 비단색광의 경우 n이 실제보다 조금 더 크게 측정(測定) 됨은 잘못된 결과가 아님을 알 수 있다. 또한 파장의 길이가 길수록 beta 값이 감소함으로서 더 느린 복사조도의 감소가 일어났다.
2013년 부산대학교 광학실험 report
다. 마이컬슨 간섭계
을 참고해보면 파장이 증가하면 n이 커진다.(전자기 理論(이론)에 따르면 빛은 서로 수직한 전기장과 자기장의 상호작용으로 전파된다된다.
이번에 實驗한 입사각에 따른 반사율 측정(測定) 實驗은 “프레넬 방정식”에 입각하여 반사광의 세기를 측정(測定) 함으로서 반사계수를 구하고 반사율을 계산할 수 있었다. 그 결과 회절격자의 격자 상수가 클수록 더 많은 격자무늬가 관측되었는데, 그 이유는 격자 상수가 클수록 슬릿의 폭이 감소하게 되어 회절이 더 잘 일어나기 때문이다.
