밝기와 색상 외에도 빛은 또 다른 매혹적인 특성인 편광을 가지고 있습니다. 편광된 빛은 현대 광학 기술에서 중요한 역할을 하며, 파장판은 빛의 편광 상태를 조작하는 마법의 지팡이 역할을 합니다. 이 기사에서는 파장판의 작동 원리, 유형 및 다양한 응용 분야를 탐구하여 광학 제어의 새로운 지평을 엽니다.
빛과 물질 사이의 상호 작용은 복잡한 물리적 춤과 같습니다. 빛의 파장이 리듬을 설정하는 동안 물질 분산은 이 공연에 독특한 특성을 더합니다. 빛이 물질을 통과할 때 원자 또는 분자와 공명하며, 이 공명의 강도는 빛의 파장에 따라 달라집니다. 복굴절은 이 춤에서 매혹적인 변형으로 나타나며, 물질이 서로 다른 편광 방향에 대해 서로 다른 굴절률을 나타낼 때 발생합니다.
특정 결정에서 정돈된 원자 배열을 갖는 경우, 서로 다른 전기 벡터 방향이 서로 다른 공명 주파수를 만납니다. 이로 인해 서로 다른 편광 방향에 대해 서로 다른 굴절률이 생성됩니다. 분산과 달리 복굴절은 비결정성 물질 또는 단순한 대칭을 가진 결정을 사용하여 피할 수 있습니다. 그러나 우리는 또한 복굴절을 활용하여 복굴절 파장판(지연기라고도 함)을 통해 빛의 편광 상태를 의도적으로 변경할 수 있습니다.
파장판의 본질은 독특한 결정 구조에 있습니다. 결정을 정밀하게 절단함으로써 특정 편광 방향에 대한 굴절률을 최소화할 수 있습니다. 이를 빠른 축이라고 하며, 빛의 파동이 최대 위상 속도를 얻습니다.
선형 편광을 90° 회전하면 빛은 최대 굴절률과 최소 위상 속도(느린 축)를 만나게 됩니다. 예를 들어, 이러한 축을 따라 파장을 비교해 보겠습니다. 빠른 축이 2¼ 파장을 표시하는 반면 느린 축이 4 파장을 표시하는 경우 굴절률 비율은 2:3이 됩니다(명확성을 위해 과장됨).
전파 위상 상수(k)는 2πfn/c 라디안/미터와 같으며, 여기서 f는 주파수, n은 굴절률, c는 빛의 속도입니다. 따라서 길이 L의 결정을 통과하는 빛은 위상 이동 φ = 2πfnL/c를 경험합니다. 빠른 축과 느린 축을 따라 위상 이동의 차이는 지연(Γ = 2πf(n 느린 - n 빠른 )L/c)을 정의하며, 일반적으로 라디안이 아닌 파장 단위로 측정됩니다.
파장판 중에서 반파장(Γ = π) 및 4분의 1 파장(Γ = π/2) 판이 가장 일반적입니다. 반파장판은 선형 편광 방향을 회전시킵니다. 빛이 빠른 축에 대해 각도 θ로 들어오면 편광이 2θ만큼 회전합니다. 이는 특히 크고 움직일 수 없는 레이저에서 레이저 편광을 조정하는 데 매우 중요합니다.
반파장판을 정렬하려면 먼저 편광기를 사용하여 소멸(수평 편광)을 찾은 다음 판을 삽입하고 소멸이 유지될 때까지 회전하여 축을 표시합니다. 이 위치에서 45° 회전하면 90° 편광 회전이 생성됩니다. 다른 각도의 경우 원하는 회전 각도의 절반만큼 판을 회전합니다.
4분의 1 파장판은 입사광이 두 축 중 하나와 45°를 이루는 경우 선형 편광과 원형 편광 사이를 변환합니다. 여기서 빠르고 느린 축 구성 요소가 동일해져 나선형 전기 벡터 패턴이 생성됩니다. 방향에 따라 오른쪽 또는 왼쪽 원형 편광이 생성됩니다.
정렬은 반파장판 프로세스를 미러링합니다. 편광기를 사용하여 소멸을 찾고, 4분의 1 파장판을 삽입하고, 소멸을 유지하도록 회전한 다음 45° 회전합니다. 완벽한 원형 편광은 회전하는 편광기를 통해 일정한 강도를 나타냅니다. 강도 변화는 타원 편광을 나타내며, 이는 파장 불일치를 시사합니다.
다른 지연 값은 일반적으로 타원 편광을 생성하며, λ/2는 2θ에서 선형 편광을 유지하는 경우를 제외합니다. 4분의 1 파장판은 정확히 45° 입사에서만 완벽한 원형 편광을 생성합니다.
파장판은 주로 두 가지 기능을 수행합니다. 즉, 편광면을 회전(반파장)하고 원형 편광을 생성(4분의 1 파장)합니다. 4분의 1 파장판은 또한 빛의 방향을 반전시켜 원형 편광을 다시 선형 편광으로 변환합니다.
광학 격리 시스템에서 4분의 1 파장판은 편광기와 결합되어 원치 않는 반사를 제거합니다. 또한 타원 편광을 유도할 수 있는 여러 거울 반사가 있는 시스템에서 편광을 정화합니다. 풀 웨이브 플레이트는 신중한 기울기를 통해 사소한 타원율을 수정할 수 있습니다.
많은 천연 결정이 복굴절을 나타내지만, 실제 파장판은 방해석 또는 결정성 석영과 같은 재료를 사용하는 경우가 많습니다. 그러나 굴절률 차이가 크면 비현실적으로 얇은 실제 반파장판이 필요합니다. 대안으로는 폴리머의 응력 유도 복굴절 또는 다중 차수 파장판(특정 파장에서만 반파장판으로 기능하는 더 두꺼운 구성 요소)이 있습니다.
진정한 제로차 파장판은 반파장 차이(빠른 축이 느린 축에 정렬됨)가 있는 두 개의 지연기를 결합하여 파장 및 온도 민감도를 최소화합니다. 광대역 응용 분야의 경우 AR 코팅된 창 사이에 석영-MgF를 사용하는 무색 파장판 2 라미네이트는 우수한 성능을 제공합니다.
1913년에 개발된 Berek 보상기는 방해석 또는 불화마그네슘 판을 회전시켜 200-2800nm에서 조정 가능한 튜닝 가능한 파장판 역할을 합니다. 이러한 가변 지연기는 정량적 편광 현미경 검사에 필요한 보상판의 수를 크게 줄입니다.