광학의 분류

목차

1. 광학의 분류

2. 기하 광학 (Geometric Optics)

3. 파동 광학 (Wave Optics)

4. 전자기파 광학(Electromagnetic Optics)

5. 양자 광학

 

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1. 광학의 분류

광학의 분류

광학 분야는 크게 3개로 분류가 가능해요.

기하광학, 파동광학, 그리고 양자광학이 그것이에요.

 

 

그리고, 좀 더 깊숙히 들어가면 파동광학을 다시

파동광학과 전자기파로 나눌수 있어요.

 

 

 

과거에는 '빛이 입자인가 혹은 파동인가'라는 주제로

갑론을박이 있었죠.

 

 

하지만, 빛은 입자와 파동의 성질을 모두 가지고 있어요.

 

 

그리고 여기서

입자의 성질의 성질을 가진 빛을 다루는 학문이 기하광학,

파동의 성질을 가진 빛을 다루는 학문이 파동광학이에요.

 

그렇다면, 양자광학은 뭘까요?

말 그대로 입자와 파동의 한계를 넘어서

양자 스케일(피코, 펨토 단위의 파장 길이)의

광자를 다루는 학문이 양자광학이에요.

 

자세한 내용은 뒤에서 다시 알아볼게요.

 

 

2. 기하 광학 (Geometric Optics)

기하 광학은 Ray Optics라고도 해요.

 

 

RAY, 즉, 직선으로 빛을 표현할 수 있거든요.

그래서 직관적으로 이해하기도 어렵지 않아요.

스칼라적으로 해석이 가능하거든요.

 

빛을 하나의 입자로 보고 그저 직선으로 날아가는

작은 공이라고나 할까요?

 

빛이 가진 성질 중,

빛의 직진, 굴절, 반사가 입자설의 증거에요.

 

가장 초기의 광학으로,

16~17세기 뉴턴이 주도적으로 입자설을 연구했어요.

그 이후에는 아인슈타인(20세기 초) 광전 효과 실험을 통해

빛이 입자라는 것을 다시 증명해냈죠.

 

다만 호이겐스(하위헌스)의 회절실험이 16세기 말에 이루어졌고,

따라서, 빛이 회절한다는 것을, 즉 파동성을 가진다는 것을

이때도 어느정도 예측은 했어요.

하지만, 초기에는 입자설이 지배적이었어요.

 

지금처럼, '빛은 입자와 파동 성질을 모두 가진다'가 아니라,

'빛은 입자이다'라는 주장만이 받아들여지던 거죠.

 

 

3. 파동 광학 (Wave Optics)

파동 광학은 말 그대로 빛을 파동의 하나로 보는 거에요.

단순한 입자가 아니라, 광선들의 집합체인거죠.

 

물을 생각하면 편해요.

물에서 일어나는 파동은 작은 물 알갱이 하나가 만드는 것이 아니라,

물들이 모여서 흔들리는 움직임을 만드는 거잔아요?

 

빛도 그와 유사한 것이 아닐까 하고 생각한거죠.

 

 

참고로,

입자설 vs 파동설에서 파동설을 지지했던 과학자로는 

하위헌스, 프라운호퍼, 프레넬,

토마스 영(이중 슬립 실험 - 간섭 효과) 등이 있어요.

 

 

가간섭성, 회절, 간섭이 파동광학을 증명하는 현상이에요.

 

그리고 여기서부터는 빛을 스칼라가 아니라,

Vector값으로 표현해야 합니다.

 

 

참고로,

20세기가 되어서 양자 역학이 수립된 이후에야,

비로소 '빛은 입자와 파동의 성질 모두를 가진다.'

라는 설명이 가능해졌어요.

 

 

4. Electromagnetics Optics

전자기파의 일종이에요.

 

빛과 마찬가지로 전자는 입자이지만 파동처럼 행동합니다.

물론이죠, 빛도 전자기파의 일종이니까요.

 

사실, 파동광학과의 차이라고 하면

파장의 길이입니다.

 

물론, 파장의 길이에 따라 그 성질이 달라지므로,

파장이 길이가 다른것은 당연한 거겠죠?

 

편광(Polarization)과 산란(Scattering)이 대표적인 현상이에요.

 

 

5. 양자광학(Quantumn Optics)

빛을 구성하는 근본적 단위인 광자를 다루는

학문이라고 보시면 되는데요,

 

그래서 기하광학이나 파동광학보다 어렵습니다.

 

보통 빛을 해석할때는 맥스웰 방정식까지는 쓰지 않아요.

이 방정식을 근사(approximation)해서 파동방정식을 통해서

좀 더 쉽고 간편하게 해석하게 되죠.

 

하지만, 파장의 길이가 굉장히 짧아지면,

즉 나노, 펨토 미터의 스케일로 들어가면

이때부터는 근사가 불가능해집니다.

 

그 값을 정확하게 연구해야 하는거죠.

 

양자광학에 대한 이해도의 증대는

통신, 암호, 컴퓨터 등 다양한 분야에서

기여를 하고 있구요,

2012년에는 양자광학에 대한 연구에 노벨 물리학상을

수여하기도 했어요.

 

사실, 현대 광학의 주류는 현대광이긴 하구요,

메타물질, 펨토 레이저, 포토닉 크리스탈 등이 여기에 들어갑니다.