실험 4 레이저를 이용한 측정실험

실험 4.1 기하광학 굴절실험 (굴절, 전반사, 광파이버)

실험목적: 빛이 매질이 다른 물질의 경계면을 통과할 때 발생되는 현상의 이해

준비물: 기하광학실험장치

실험방법:

1) 굴절실험 (실험지침서 제1부 기하광학 pp.37~40참조)

그림 4-1-1   굴절실험

(1) 그림과 같이 반원통형 렌즈의 평면이 90-90선과 일치하도록 정렬한다.

(2) 반도체레이저를 켜서 광선이 0-0 중심선을 따라가도록 정렬한다.

(3) 레이저 광선을 반시계방향의 20도 (입사각) 선을 따라 진행하도록 정렬하고,

광선이 렌즈의 평면을 지난 후 진행하는 각도(0-0 선과의 사잇각) (굴절각)을 측정, 기록

(4)  (3)의 과정을 입사각을 변경하여 반복실행

(5)  스넬의 법칙을 사용하여 굴절율 계산

스넬의 법칙

[eqn: n_1 sin theta_1 = n_2 sin theta_2]

횟수	입사각(도)	굴절각(도)	굴절률
1	0
2	20
3	40
4	60

2) 볼록 렌즈, 오목렌즈 굴절실험 (실험지침서 제1부 기하광학 pp.37~40 참조)

앞의 실험 1) 굴절 실험을 참조하여, 볼록렌즈와 오목렌즈의 초점거리를 구하시오.

3) 내부전반사 실험 (실험지침서 제1부 기하광학 pp.41~44 참조)

그림 4-1-3 내부전반사 실험

(1) 광선판위에 반원통형 렌즈를 앞에서와 같이 정렬한다.

(2) 레이저 광선이 아래쪽으로부터 0-0 선을 따라 진행하도록 정렬한다.

(3) 레이저를 시계방향으로 이동하여 광선이 20도선을 따라 진행하도록 정렬하고,

굴절각을 측정하여 기록한다.

- 레이저 광선이 원통형렌즈의 곡면에서 반사되지 않도록 주의

(4) (3)의 과정을 각도를 변경하면서 굴절각이 90도 (0-0선과의 사잇각) 가 될 때의

입사각(임계각)을 기록.

(5) 앞의 굴절실험에서 얻은 굴절율을 이용하여 임계각을 계산, (4)에서 얻은 임계각과 비교.

횟수	입사각	굴절각
1	0
2	20
3	40
4	60
임계각		90

4) 광섬유 (Optical fiber) 실험 (실험지침서 제1부 기하광학 pp.63~66 참조)

광통신, 의료용, 산업용 내시경에 사용되는 광섬유의 원리 이해

광섬유의 내부(핵)의  굴절율[eqn: (n_1 )];  약 1.5

광섬유의 피막의 굴절률 [eqn: (n_2 )]; 약 1.4

그림 4-1-3A 광섬유 실험 A                   그림 4-1-3B 광섬유 실험 B

4-1) 광섬유 실험 A (광 전달 실험) (그림 4-1-3A 참조)

(1) 광선판위에 광섬유판의 광섬유의 한쪽 끝을 90-90 과 0-0 의 교차점에 정렬하고,

다른 한쪽 끝을 0-0선에 일치시킨다.

(2) 광섬유의 한쪽 끝단에 레이저 광선을 입사시키고, 다른 쪽 끝단에 난반사판을

설치하여 광선이 전달되는 가, 광섬유 측면으로 광선이 새어나오는가를 관찰

(3) (2)에서 레이저 광선의 입사각을 변경시키면서 반복실험.

횟수	입사각	광의 전달여부
1
2
3
4

빛의 전송이 가능한 최대 입사각도 (허용 입사각)을 찾고, 아래의 식에서 계산한 [eqn: theta_a]와 비교하시오.

[eqn: sin theta_c = n_2 over n_1]

[eqn: sin theta_a &= n_1 sin( 90- theta_c ) # &= root { n_1^2 - n_2^2 }]

4-2) 광섬유 실험 B (광 전달 실험) (그림 4-1-3B 참조)

(1) 광선판위에 광섬유판의 광섬유의 한쪽 끝을 90-90 과 0-0 의 교차점에 정렬하고,

다른 한쪽 끝을 0-0선에 일치시킨다.

(2) 광섬유의 한쪽 끝단에 두개의 레이저 광선을 입사시키고, 다른 쪽 끝단에 난반사판을

설치한다.

(3) 레이저를 각각 껐다가, 켰다가 하여 각각의 레이저광을 전달할 수 있는가를 관찰

실험 4.2 파동광학실험 (편광, 얇은막 간섭, 공기쐐기 간섭)

실험목적: 빛의 파동성을 이해하고, 이를 이용한 초정밀 길이 측정방법이해

준비물: 파동광학실험장치

* 주의사항

- 유리 광학 부품, 레이저에 충격을 가하지 말 것 (떨어트리지 말 것)

- Optic 부품과 gage block을 다룰 때는 거울 면이 아닌 곳을 잡을 것

- Optic 부품과 gage block의 거울면에 손가락등 신체가 접촉되지 않도록 할 것

- 거울면에 손자국, 먼지등이 묻었을 경우에는 즉시 면봉을 소독용 에탄올에 적셔서

부드럽게 닦고, 킨텍스와이프스로 부드럽게 닦는다.

- 실험이 끝난 후 원위치에 정리, 보관할 것

1) 편광실험 (실험지침서 제2부 파동광학 pp.12~17 참조)

그림 4-2-1A 파동 확인 실험                 그림 4-2-1B 편광 확인 실험

(1)   (그림 4-2-1A 참조)

원기둥 형태의 레이저에 확산렌즈를 끼워서 설치하고, 각도판위에 편광판을 설치하고, 스크린을

설치한다.

(2) 편광판을 돌리면서 빛(투과광)의 세기에 변화가 생기는지를 관찰한다.

(3) (그림 4-2-1B 참조)

편광판 뒤 스크린 쪽에 검광판을 설치하고,

검광판을 돌리면서 빛의 제일 센 곳에 정지하고 각도를 기록한다.

(4) (3)의 위치에서부터 계속하여 검광판을 같은 방향으로 돌리면서 투과광의 세기에

변화가 생기는지를 관찰. 투과광이 제일 약한 곳의 각도를 기록

투과광이 제일 센곳;

투과광이 제일 약한 곳;

(5) 투과광이 제일 센 곳과 제일 약한 곳의 각도차이는 얼마인가 ?

이와 같은 현상이 생기는 것에 대한 토의

2) 얇은 막 간섭 (실험지침서 제2부 파동광학 pp.54~56 참조)

그림 4-2-2 얇은 막 간섭 실험

(1) (그림 4-2-2 참조)

얇은 유리 1장을 얇은 막 잡게에 부드럽게 고정시켜 각도판위에 설치

(2) 스크린에 비친 간섭무늬의 모양과 간격을 관찰, 기록

(3) 얇은 유리를 회전시키면서 간섭무늬의 변화를 관찰, 기록

(4) 얇은 유리를 바꾸어서 (1)-(3)의 과정을 반복

(5) 간섭무늬가 생기는 이유 그리고 (4)에서 얻은 결과에 대하여 토론

3) 공기쐐기에 의한 간섭 (실험지침서 제2부 파동광학 pp.59~pp.60 참조)

그림 4-2-3 공기쐐기에 의한 간섭

3-1) 공기쐐기 간섭 실험

(그림 4-2-3 참조)

(1) 공기쐐기용 유리판 2장을 밀착시켜서 단파장 램프 아래에 설치

(2) UNILAMP (SEQUAL Model UL-6)을 켜서 (11)에서 준비한 유리판위에 녹색 빛을 비춘다.

(3) 간섭무늬의 모양을 관찰, 기록 (유리판이 밀착되었는지 면봉으로 중앙 부분을 눌러서 확인)

( 직선 형태인가 ? 곡선 형태인가 ?  간격의 변화는 ?)

(4) 연마된 시편을 바꾸어서 위의 과정으로 관찰, 간섭 무늬를 그리고, 간격을 측정한다.

(0.1mm 단위)

(5) 관찰된 결과에 대하여 토론

녹색빛의 파장은 0.5461 μm 이다.

간섭무늬의 간격에 따른 시편의 표면의 높이 차이를 계산하고, 표면의 형상을 그리시오.

(인접한 간섭무늬의 위치에서 높이차이는 반파장이다.)

3-2) Gage block  검사 실험

(그림 4-2-3 참조)

(1) 그림과 같이 gage block의 거울면 위에 광학 평판의 0.2 μm 면을 밀착시켜서 테이블위에 설치

(2) UNILAMP (SEQUAL Model UL-6)을 켜서 (1)에서 준비한 광학 평판 위에 녹색 빛을 비춘다.

(3) 간섭무늬의 모양을 관찰, 기록 (유리판이 밀착되었는지 면봉으로 중앙 부분을 눌러서 확인)

( 직선 형태인가 ? 곡선 형태인가 ?  간격의 변화는 ?)

(4) 연마된 시편을 바꾸어서 위의 과정으로 관찰, 간섭무늬를 그리고, 간격을 측정한다.

(0.1mm 단위)

(5) 관찰된 결과에 대하여 토론

녹색빛의 파장은 0.5461 μm 이다.

간섭무늬의 간격에 따른 시편의 표면의 높이 차이를 계산하고, 표면의 형상을 그리시오.

(인접한 간섭무늬의 위치에서 높이차이는 반파장이다.)

3-3) 기타 거울면  검사 실험

CD 표면, 거울 등 다른 부품들에 대하여 위의 과정을 따라 검사한다.