빛의 회절

2. 이론
1) 회절(Diffraction)
회절 현상은 빛의 파동성을 입증해 주는 자연 현상 중 하나이다. 회절의 기초적 설명을 위하여 Huygens 원리에서 정의된 단위파의 개념을 도입하여 보자. 그것은 회절현상을 단위파들의 간섭현상이라고 볼 수 있기 때문이다. 단위파들의 간섭 효과는 한정된 파면에 기인한 것으로서 예를 들어 불투명한 물체에 구멍이 뚫린 슬릿의 경우에는 슬릿으로 빛이 통과할 때 슬릿 가장자리를 통과하는 단위파들은 이웃하는 단위파를 갖지 못하므로 슬릿을 통과한 빛은 어느 정도 범위를 가지고 퍼져나가며 방향변화를 경험하게 된다. 즉 광원으로부터 직진하여 슬릿에 도달한 빛은 장애물(슬릿)에 접하여 직진하던 광경로를 굽혀 방향변화를 일으켜 새로운 방향으로 빛이 퍼져나가게 된다. 이러한 현상을 우리는 빛의 회절이라고 볼 수 있다. 빛이 바늘구멍과 같이 아주 작은 개구를 통과할 때는 부채꼴 형상으로 파면이 연속적으로 퍼져 나가고, 그 퍼지는 정도는 장애물의 구멍이 작으면 작을수록 커지므로 스크린에 맺히는 회절 투영상도 마찬가지로 장애물의 구멍이 작을수록 커진다. 좋은 예로는 우리 주변에서 볼 수 있는 것으로 기하학적 그림자가 바로 회절현상의 한 예이다.
그림 1. 조리개에서 파면의 형태
회절현상은 Fraunhofer회졻과 Fresnel회졻 두 가지로 나누어 설명된다. 회절개구로부터 광원과 스크린이 무한대에 놓여있는 경우 얻어지는 회절 현상을 Fraunhofer 회절이라고 하고 한정된 거리에(회절개구로부터) 광원과 스크린이 또는 그 둘 중(광원이나 스크린) 어느 하나만 한정된 거리에 놓여있어 얻어지는 회절 현상을 Fresnel 회절이라고 한다.

(A) Fraunhofer 회절, 광원과 스크린 둘 다 구멍에서 (B) 광원과 스크린이 가까울 때 수렴 렌즈를 두 개
아주 먼 곳에 있다. 구멍에 입사해 들어가는 빛이나 사용하면 Fraunhofer 회절 조건을 만족시킬 수 있
구멍을 떠나서 스크린으로 가는 빛 둘 다 평행하다 다.


그림2. 회절의 종류



(C) Fresnel 회절 . 광원과 스크린 둘 다 구멍과 가깝다.
광원으로부터 나온 빛과 스크린 가는 빛은 평행하지 않다.

2) 프라운호퍼 회절
(1) 단일 슬릿
관측점가 가간섭 선광에서 매울 멀리 떨어져 있고 인 경우에는 가 중간값 에서 거의 벗어나지 않으므로, 점에서 은 모든 미분요소 에 대하여 일정하게 된다. 광원의 미분요소 에 의한 에서의 광파는
에 의해서
(1)
가 되며, 는 파의 진폭이다. 위상은 진폭에 비하여 의 변화에 민감하기 때문에, 위상에 근사를 취할 때는 보다 주의하여야 한다. 은 에 대하여 전개를 하면
(2)
가 된다.
여기서 으로부터 측정된다. 이 식에서 세 번째 항이 인 경우에도 위상에 별 기여를 하지 않는다면, 즉, 의 값이 충분히 작다면, 우리는 이 항을 고려할 필요가 없다. 이러한 근사는 이 충분히 큰 경우에는 의 값에 관계없이 가능하다. 이왿� 같이 거리 이 에 선형적으로 변하게 되는 프라운호퍼 조건에서 관측점까지의 거리왿� 위상은 구멍좌표의 선형함수로 표현된다.