광학실험 | 마이켈슨 간섭계

 

 

 

TIP

 

 

Michelson간섭계의 원리를 이해하고, 이를 이용하여 여러 가지 광원으로부터 나오는 빛으로 간섭무늬를 만들어 본다.

 

 

 

전자기파의 이론의 발달로 19세기 중엽에는 빛의 본성이 파동이라는 것이 거의 확실해졌다. 그러나 우리가 주위에서 볼 수 있는 파동들은 일반적으로 그것이 전파될 수 있는 매질을 필요로 한다. 그러나 빛이라는 파동을 실어 나르는매질이 무엇인지에 대한 규명이 되지 않았기에 19세기 후반의 물리학자들은 고민에 휩싸이게 되었다.

 

실체를 붙잡을 수 없는 이것을 에테르라고 일컫고 그 존재를 확인하기 위한 여러 종류의 실험이 이루어졌다. 그 중 대표적인 것이 마이켈슨과 몰리에 의한 상대운동을 하는 에테르에서의 빛의 속도변화 관측 실험이다. 하지만 많은 기대에도 불구하고 빛의 속도 변화는 관측되지 않았고, 이 결과는 뒤이은 아인슈타인이 특수상대성이론과 일치 하는 결과이다.

 

이 실험에서 사용된 장치는 마이켈슨 간섭계라 하여 거리를 빛의 파장 정도의정밀도로 측정한다든지, 또는 물질 속에서의 빛의 속도변화를 관측하여 물질의 굴절률을 측정하거나, 여러 가지 다른 물리량들을 정확하게 측정하는데 널리 사용되고 있다. 마이켈슨 간섭계는 한 점광원을 반은 도금된 거울을 통하여 둘로 나누어 위치 차이가 나게 하여 다시 만나게 하는 구조로 되어 있다. 이렇게 하는 이유는 이것이 서로 간섭성이 있는 두 빛을 만들어 내는 간단한 방법의 하나이기 때문이다.

 

실험에 사용하는 광원을 나트륨등처럼 공간간섭성이 없는 빛이 넓은 면을 통하여 방출되는 것을 사용한다면, 거울 1과 2를 거의 같은 거리로 하여 두 개가 수직에서 미세한 각을 벗어나게 해둔다. 그리고 반은 거울을 통하여 들여다보면 거울 두 개에 의한 광원의 두 상이 거의 겹쳐 보인다. 그러나 광원의 두 상은 원래 같은 지점에서 나온 것이기 때문에 간섭성이 있어서, 그 거리차이가 파장의 정수배가 되면 밝게 보이고 파장의 1/2, 3/2, 5/2등의 차이가 되면 어둡게 보인다.

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실험 방법

1 실험-1.

1) He-Ne 레이저를 광원으로 각 실험 장치를 구성한다. 먼저, lens가 없는 상태에서 각 거울에서 반사된 빛이 반투명 거울(BS)을 통과하여 다시 레이저 투사구의 원위치로 돌아오게 장치를 정렬한 다음, 레이저의 빛이 렌즈의 중앙과 일치하도록 렌즈를 광경로에 수직으로 놓는다.

 

2) Screen에 원형의 간섭무늬가 맺히도록 각 거울과 렌즈를 조절한다.

 

3) 광경로차를 변화시키기 위해 장치 측면의 micrometer를 움직여 거울 M₁을 이동시키고 이 때 나타나는 무늬 변화를 측정하여 레이저의 파장 λ를 구한다. (20 주기 이상을 관측하고 micrometer의 눈금 차를 읽을 것. 한 눈금은 0.1 ㎛이다.)

 

2 실험-2.

1) 위의 레이저를 광원으로 한 장체에서 동심원 무늬의 수를 최소화 하는 방향으로 거울 M₁의 위치를 맞춘다. 스크린에 궁극적으로 하나의 밝은/어두운 무늬가 보이도록 한다. 이 때, 보상판(compensator)의 정렬을 잊지 말 것. (사진을 찍어 둠.)

 

2) 레이저와 렌즈를 치우고 Na-램프를 둔다. 스크린의 위치에 눈을 대고 광원을 바라보아 간섭무늬를 관찰하고 광경로차와 거울 각을 미세 조정하여 하나의 밝은/어두운 무늬를 관측한다. (사진을 찍어 둠.) [주의!! 절대 레이저는 눈으로 직접 보면 안된다.]

 

3) 위 실험-1과 같은 방법으로 Na-램프의 파장을 측정한다.

 

4) 이제 광원으로 백열등과 대역투과 필터를 놓고, 스크린의 위치에 눈을 대고 광원을 바라보면서 micrometer를 돌려 간섭무늬가 보이는 거울 M₁의 위치를 찾는다.

 

5) 간섭무늬 사진을 찍고, 간섭무늬가 반쯤 사라지는 영역의 광경로차 범위를 측정하여 결맞음 길이를 구한다. 이 실험은 주어진 대역투과 필터 및 장파장투과 필터에 대해 각각 시행한다.

 

6) 이제 필터들을 모두 제거하고, 백열등만으로 간섭무늬를 만들어 보자. 백열등은 선폭이 매우 넓으므로 결맞음길이가 매우 짧기 때문에 이것을 벗어나는 광경로차에 대해서는 간섭무늬가 생기지 않으므로 매우 조심스럽게 거울을 이동하여야 한다. 간섭무늬를 찾으면 위 5)의 과정과 같이 백열등의 결맞음길이를 측정한다.

 

 

 

[광학실험]마이켈슨 간섭계 레포트