간섭 및 회절

간섭과 회절은 물의 파동에서 빛과 같은 전자파에 이르기까지 모든 파동의 특징적인 현상입니다.

간섭은 같은 종류의 두 파동이 겹쳐서 더 크거나 더 낮거나 동일한 진폭의 파동을 생성하는 현상을 말합니다.

회절은 장애물이나 조리개의 모서리 주위에서 파동이 휘어지는 것으로 정의됩니다. 이 경우 파동의 차동 부분이 간섭하여 크고 작은 진폭의 공간적 교대를 일으킬 수 있습니다.

이 비디오는 회절 및 간섭 패턴을 관찰하여 빛의 파동 특성을 보여줍니다.

파동은 공간 및/또는 시간에 있는 어떤 물리량의 진폭의 진동입니다. 간섭은 파동과 관련된 가장 특징적인 현상 중 하나입니다.

파동의 서로 다른 부분이 겹치고 "간섭"하여 간섭 패턴이라고 하는 강한 파동 진폭과 약한 파동 진폭의 공간적 교대를 생성할 수 있습니다. 간섭파의 진폭이 합산되면 이를 건설적 간섭이라고 합니다. 반면에, 그들의 진폭이 서로에게서 뺄 때, 그것을 파괴 간섭이라고 합니다.

이제 파장 lamda의 빛이 하나의 좁은 슬릿에서 비춰지면 슬릿에서 멀리 떨어진 강도는 "프린지"라고도하는 "밝은"영역과 "어두운"영역에 해당하는 큰 값과 작은 값 또는 거의 0 값 사이에서 번갈아 나타납니다. 이 패턴의 중심은 슬릿의 y축을 따라 항상 밝습니다.

이 교대는 작은 조리개를 통한 빛의 "회절 패턴"으로 알려져 있습니다. 파도의 특징적인 현상입니다. 구체적으로 말하자면, 조리개의 두 가장자리 사이에 있는 점들입니까?" re-emit" 또는 다른 말로 다른 방향으로 빛의 파동을 "회절"합니다.

회절된 광파의 다른 부분 간의 간섭은 회절 패턴의 형성을 초래합니다.

밀접하게 배치된 두 개의 슬릿의 경우, "Young's double-slit interference pattern"으로 유명한 패턴이 형성된 것은 두 슬릿에서 회절된 빛의 간섭 때문입니다. 다음 프로토콜은 단일 슬릿 및 이중 슬릿 실험을 설정하고 결과를 해석하는 방법을 보여줍니다.

파장이 ~633nm인 헬륨-네온 레이저 포인터, 얇은 면도날 몇 개, 알루미늄 호일, 판지, 자, 가위, 나무 블록, 레이저 안전 고글 등 실험에 필요한 재료와 도구를 수집합니다.

가위를 사용하여 알루미늄 호일을 약 2인치 x 2인치 정사각형 조각으로 두 개로 자릅니다. 또한 판지를 중앙에 약 1인치 직경의 구멍이 있는 약 3인치 x 3인치 정사각형 조각 두 개로 자릅니다.

다음으로 알루미늄 호일 한 장을 가져 와서 면도날을 사용하여 호일 중간에 약 1cm 길이의 직선 슬릿을 자릅니다. 구멍 안쪽에 슬릿이 위치한 하나의 판지에 호일을 테이프로 붙입니다.

이제 판지의 한쪽 가장자리를 나무 블록에 테이프로 붙이고 흰색 벽을 슬릿에서 약 30cm 떨어진 곳으로 밉니다. 판지가 테이블 표면에 수직이고 구멍과 수직 슬릿이 노출되어 벽을 향하고 있는지 확인하십시오.

장착된 판지의 반대쪽에 레이저 포인터를 놓고 레이저 빔이 테이블과 평행이 되도록 합니다. 이제 레이저 보안경을 착용하고 레이저 포인터를 켜고 레이저 빔을 슬릿에 비춥니다.

실내 조명을 끄고 호일 반대편 벽의 조명 패턴을 관찰하십시오. 레이저 포인터를 끄고 레이저 보안경을 제거합니다.

다음으로, 중간 날이 오목하도록 세 개의 면도날을 쌓습니다. 다른 알루미늄 호일을 가져 와서 면도날 더미와 자를 사용하여 호일 중간에 약 1cm 길이의 밀접한 간격의 직선 평행 슬릿 두 개를 자릅니다. 이제 호일을 다른 판지에 테이프로 붙인 다음 이전과 같이 나무 블록에 테이프로 붙입니다.

레이저 안전 고글을 착용하고 레이저 포인터를 켜고 이중 슬릿에 레이저 빔을 비춥니다. 실내 조명을 끄고 호일 반대편 벽의 조명 패턴을 관찰하십시오. 마지막으로 레이저 포인터를 끕니다.

프로토콜이 완성되었으니 이제 단일 슬릿 및 이중 슬릿 실험의 결과를 검토해 보겠습니다. 단일 슬릿 실험에서 벽에서 관찰된 광 패턴은 특징적인 회절 무늬를 나타냅니다. 중앙의 밝은 가장자리는 모두 같은 너비의 다른 밝은 가장자리보다 y 방향으로 약 두 배 넓습니다.

또한, 밝은 fringes의 intensity는 y축을 따라 중심에서 주변 fringes로 감소합니다. 이는 레이저의 평행 광선이 슬릿에서 구부러지고 건설적으로 겹쳐져 밝은 fringes를 형성하고 그 사이에 어두운 띠를 파괴적으로 형성하기 때문에 단일 슬릿 회절 패턴에서 예상됩니다.

이중 슬릿 실험에서 벽에서 관찰된 광 패턴은 특징적인 간섭 무늬를 나타냅니다.

이러한 간섭 무늬는 회절 패턴의 밝은 영역보다 훨씬 좁습니다. 이는 슬릿 간 분리 'd'가 슬릿 폭 'a'보다 훨씬 크기 때문이며, 간섭 무늬의 너비를 제어하는 것은 슬릿 간 분리의 역수이기 때문입니다. 그러나 회절 무늬의 너비를 제어하는 것은 슬릿 너비 'a'의 역수입니다.

빛의 회절과 간섭은 빛이 전자기파라는 것을 확립하는 데 필수적인 역할을 했습니다. 따라서 이러한 효과는 광학 및 포토닉스를 기반으로 하는 많은 기술에서 중요합니다.

레이저 회절 분광법은 나노미터에서 밀리미터 크기의 물체를 통과하는 레이저 빔의 회절 패턴을 활용하여 입자의 기하학적 치수를 빠르게 측정하는 기술입니다.

센서는 레이저 광의 각도를 감지하는 데 사용되며 컴퓨터는 생성된 빛 에너지와 레이아웃에서 물체의 입자 크기를 감지하는 데 사용됩니다.

간섭계는 거리, 작은 변위, 굴절률 변화 및 표면 불규칙성을 정확하게 측정하기 위해 파동의 중첩 및 간섭을 사용하는 기술입니다.

여기서 주파수는 같지만 경로 길이가 다른 두 파동이 간섭하여 간섭 패턴이 발생합니다. 그런 다음 이 패턴을 사용하여 알 수 없는 매개변수를 정밀하게 측정할 수 있습니다. 이와 동일한 간섭계 기법이 LIGO(Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory)에서 사용되는데, 이 관측소는 중력파를 탐지하기 위해 만들어진 거대한 검출기입니다.

여러분은 방금 빛의 회절과 간섭에 대한 JoVE의 소개를 시청했습니다. 이제 단일 슬릿 및 이중 슬릿 실험을 사용하여 입증된 회절 및 간섭 광 패턴의 형성에 대한 이론을 이해할 수 있어야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다!