물리학 고3 빛과 정보통신

빛의 간섭·편광과 광학기기

이중 슬릿 간섭무늬, 박막 간섭, 편광 현상을 빛의 파동 성질로 설명하고 정밀 측정·광학기기에 응용한다.

빛이 겹칠 때 밝고 어두운 무늬가 생기고(간섭), 진동 방향이 한쪽으로 걸러지는(편광) 현상으로, 둘 다 빛이 '횡파'라는 파동임을 보여 주는 증거입니다.

빛을 알갱이로만 보면 두 개의 빛을 겹쳤을 때 더 밝아지기만 해야 합니다. 그런데 실제로는 겹쳤더니 오히려 캄캄해지는 자리가 생깁니다 — 파도의 마루와 골이 만나 잔잔해지듯이.

쉽게 말하면

파동의 간섭과 회절에서 배운 원리가 빛에도 그대로 적용됩니다. 두 빛이 만나는 지점까지의 경로차가 파장의 정수배이면 마루끼리 겹쳐 밝아지고(보강), 반파장의 홀수배이면 마루와 골이 만나 어두워집니다(상쇄).

이중 슬릿 간섭에서는 두 슬릿에서 나온 빛의 경로차가 무늬를 만듭니다. 슬릿 간격이 $d$ , 스크린까지 거리가 $L$ 일 때 밝은 무늬 사이의 간격은 다음과 같습니다.

$Δ y = \frac{λ L}{d}$

무늬 간격이 파장 $λ$ 에 비례한다는 점이 중요합니다. 이 식을 뒤집으면 무늬 간격을 자로 재서 나노미터 단위의 빛의 파장을 알아낼 수 있습니다 — 눈에 보이지 않는 것을 눈에 보이는 것으로 바꾸는 것, 이것이 간섭이 정밀 측정의 도구가 되는 이유입니다.

비눗방울과 기름막의 무지개색도 간섭입니다. 막의 윗면에서 반사된 빛과 아랫면에서 반사된 빛이 겹치는데, 막의 두께에 따라 어떤 파장은 보강되고 어떤 파장은 상쇄되어 색이 갈라집니다. 안경 렌즈의 반사 방지 코팅은 이 원리를 거꾸로 써서, 반사광끼리 상쇄되도록 막 두께를 맞춘 것입니다.

한편 편광은 빛의 진동 방향에 관한 이야기입니다. 빛은 진행 방향과 수직으로 진동하는 횡파여서 '어느 쪽으로 진동하는가'를 물을 수 있고, 편광판은 그중 한 방향만 통과시킵니다. 소리처럼 진행 방향으로 진동하는 종파에는 이런 일이 아예 일어날 수 없습니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

빨간빛과 파란빛의 이중 슬릿 무늬 간격 비교

$Δ y = \frac{λ L}{d}$

같은 장치에 빨간빛(긴 파장)을 쓰면 파란빛(짧은 파장)보다 무늬 간격이 넓어집니다. 백색광을 쓰면 색마다 무늬가 다른 자리에 생겨 무지갯빛으로 번져 보입니다.
예시 2

비눗방울이 얇아질수록 색이 변하는 이유

비눗방울은 시간이 지나면 위쪽부터 얇아집니다. 두께가 변하면 보강되는 파장이 달라지므로 같은 자리의 색이 계속 바뀌고, 아주 얇아진 꼭대기는 모든 가시광선이 상쇄되어 오히려 검게 보이다가 터집니다. 비누에 색소가 들어 있는 것이 전혀 아닙니다.
예시 3

편광 선글라스로 수면의 반사광 지우기

물이나 아스팔트에서 비스듬히 반사된 빛은 수평 방향으로 치우쳐 편광됩니다. 그래서 수직 방향만 통과시키는 편광 선글라스를 쓰면 눈부신 반사광만 골라 지울 수 있습니다. 선글라스를 90도 돌리면 반사광이 다시 살아나는 것으로 확인할 수 있습니다.

이중 슬릿 간섭과 박막 간섭 — 경로차가 어디서 생기는가

구분	이중 슬릿 간섭	박막 간섭
겹치는 두 빛	두 슬릿을 각각 지나온 빛	막의 윗면과 아랫면에서 각각 반사된 빛
경로차의 원인	슬릿에서 관찰점까지의 거리 차이	막을 한 번 왕복하는 두께
무늬가 달라지는 조건	보는 위치(각도)	막의 두께와 보는 각도
대표적인 모습	스크린의 나란한 밝고 어두운 줄무늬	비눗방울·기름막의 무지개색

자주 하는 오해

어두운 무늬에서 빛에너지가 사라졌다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움상쇄 간섭이 일어난 자리에서는 빛이 없어졌으니 에너지가 사라진 것이다

실제로는에너지는 사라지지 않고 밝은 무늬 쪽으로 몰린 것입니다. 무늬 전체의 밝기를 다 더하면 원래 들어온 빛의 양과 같습니다.

간섭은 에너지를 없애는 것이 아니라 공간에 다시 나누어 배치하는 현상입니다. 어두운 자리에서 줄어든 만큼 밝은 자리가 원래보다 더 밝아집니다.

소리도 편광시킬 수 있다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움편광판 같은 장치를 만들면 소리도 한 방향만 걸러낼 수 있을 것이다

실제로는편광은 횡파에서만 일어납니다. 소리는 진행 방향으로 진동하는 종파여서 '걸러낼 진동 방향' 자체가 없습니다.

종파는 진행 방향에 대해 이미 대칭이라 골라낼 방향이 없습니다. 빛이 편광된다는 사실 자체가 '빛은 횡파다'라는 결정적인 증거이고, 간섭·회절만으로는 여기까지 알 수 없습니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

이중 슬릿 간섭고2 파동의 간섭과 회절고3 편광고3

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

광섬유와 레이저고3

같은 단원의 개념 — 빛과 정보통신

광섬유와 레이저고3 영상기술과 의료진단고3

자주 묻는 질문

Q1형광등 두 개를 켜면 왜 간섭무늬가 안 보이나요?

보통의 광원은 위상이 제멋대로인 빛을 마구잡이로 내보내기 때문입니다. 순간마다 보강·상쇄가 뒤바뀌어 평균을 내면 그냥 밝기만 더해진 것처럼 보입니다. 그래서 간섭 실험에는 한 광원에서 나온 빛을 둘로 나누거나(이중 슬릿), 위상이 가지런한 레이저를 씁니다.

Q2간섭무늬가 왜 정밀 측정에 쓰이나요?

무늬 하나가 어긋나는 것은 경로차가 파장 하나만큼 변했다는 뜻입니다. 가시광선의 파장은 대략 수백 나노미터이므로, 무늬가 몇 칸 움직였는지만 세어도 나노미터 수준의 길이 변화를 읽을 수 있습니다. 렌즈 면의 미세한 굴곡 검사부터 중력파 검출기까지 모두 이 원리를 씁니다.

Q3편광 선글라스와 그냥 색안경은 무엇이 다른가요?

색안경은 모든 방향의 빛을 고르게 어둡게 만들지만, 편광 선글라스는 특정 진동 방향의 빛만 골라 없앱니다. 그래서 전체 풍경의 밝기는 크게 줄지 않으면서 반사에 의한 눈부심만 사라집니다. 편광판 두 장을 겹쳐 90도로 돌리면 거의 완전히 캄캄해지는 것으로 원리를 확인할 수 있습니다.

교육과정 2022 개정 · 고3 물리학 · 빛과 정보통신 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

오류 신고하기

빛의 파동성과 전반사를 통신 기술로 연결하는 광섬유와 레이저를 이어서 보세요.

전체 연결 구조가 궁금하다면

초3~고3 과학 646개 개념의 연결을 한 화면에서 탐색할 수 있습니다.

빛의 간섭·편광과 광학기기 지도에서 확인하기 →