광학 7강. 응용광학
추천글 : 【물리학】 물리학 목차
1. 전자기파의 생성 [본문]
2. 전자기파의 조절 [본문]
3. 전자기파의 전달 [본문]
4. 전자기파의 검출 [본문]
1. 전자기파의 생성 : 광원(light source) [목차]
⑴ 종류 1. 복사선 광원 : 연속광원(continuous source)이라고도 함
① 흑체복사를 이용함 : 넓은 파장 영역의 복사선을 고루 방출함
② 물체의 흡광 스펙트럼, 반사 스펙트럼 등을 측정하는 데 이용됨
③ 1-1. 텅스텐 램프 : 텅스텐 필라멘트를 사용하는 백열 램프
○ 필라멘트를 3,000 K까지 가열함
○ 높은 온도에서 작용하기 때문에 텅스텐 필라멘트 금속이 서서히 증기로 증발해 램프의 빛이 흐려짐
○ 320 ~ 2,500 nm의 가시광선, 근적외선을 방출함
④ 1-2. 중수소 아크 램프
○ D2 분자를 전기적으로 방전, 분해함
○ 160 ~ 410 nm의 자외선을 방출함
⑤ 1-3. Hg 증기, Xe 기체가 채워진 전기방전 램프
○ 자외선, 가시광선을 방출함
⑥ 1-4. 글로바(globar)
○ 탄화 실리콘 막대에 전류를 가하여 1500 K까지 가열함
○ 5000 ~ 200 cm-1의 적외선을 방출함
⑦ 표준광원
○ 표준광원 A : 가스충전 상태의 텅스텐 백열전구. 2854 K
○ 표준광원 B : 태양의 평균 직사량을 모방한 광원. 4870 K
○ 표준광원 C : 맑은 하늘 낮의 직사량을 모방한 광원. 6740 K
○ 표준광원 D : C 광원의 보완. 색온도를 조정. D65, D75 등이 있음
○ 표준광원 F : 형광등의 표준광원. F1, F2가 있음. 약 4000 K
⑵ 종류 2. 발광 다이오드(LED, light emitting diode)
① 순방향 바이어스를 가하면 접합 부근에서 캐리어들의 재결합에 의해 발광
A는 p형 반도체이고 B는 n형 반도체임
② (참고) N형 반도체는 P형 반도체보다 에너지 준위가 낮지만 N형의 전도띠는 P형의 원자가띠보다 높음
③ 발광 다이오드는 밴드갭의 크기에 해당하는 빛을 방출
④ (주석) 재결합한 상태가 모종의 이유로 풀리기도 하니까 재결합이 계속 일어나서 LED가 지속적으로 빛을 발광함
⑤ (참고) 대부분의 다이오드는 빛이 아니라 열로 전환
○ 규소 (Si) 반도체, 게르마늄 (Ge) 반도체 : 빛이 아니라 열로 전환
○ 비소화 갈륨 (GaAs) 반도체, 인화 갈륨 (GaP) 반도체 : 빛이 방출
⑥ 효율이 높은 편 : 최고 90%까지 에너지 절감 가능
⑶ 종류 3. 레이저 : 한두 가지 파장. 선광원
① 3-1. 기체 레이저
Figure. 2. 기체 레이저의 원리
○ (참고) 진동수
○ 1st. 바닥상태 E1에 있는 전자를 광펌핑하여 E3로 여기시킴
○ 2nd. 레이저의 매질을 구성하는 원자는 곧 E3에서 준안정 상태 E2를 갖고 있는 전자가 다수 존재하게 됨
○ 준안정 상태 : E1의 바닥상태에 있어야 할 전자들이 E2의 들뜬 상태로 유지되고 있는 상태
○ 3rd. 레이저의 매질을 구성하는 원자에 단색광 A가 입사된 뒤 유도 방출로 인해 A, B가 방출됨
○ 4th. 레이저 내부의 왼쪽 면은 빛을 모두 반사시키고 오른쪽 면은 일부만 투과시킴
○ 5th. 반사광은 또다른 빛을 유도 방출시킴
② 3-2. 반도체 레이저
⑷ 종류 4. 하전 입자의 가속 운동
① 포인팅 벡터(Poynting vector) : 하전 입자가 가속 운동 하면 전자기파가 유도됨
② 4-1. 라디오파 생성
③ 4-2. 제동 복사 : 전자가 감속할 때 가시광선이 발생. 사이클로트론 복사, 싱크로트론 복사 등으로도 불림
⑸ 종류 5. 형광
⑹ 종류 6. 체렌코프 방사
⑺ 종류 7. bremsstrahlung
⑻ 종류 8. high Z metal에 의한 섬광
① 8-1. 감마 섬광
② 8-2. 베타 섬광
③ 8-3. characteristic X-ray
④ 8-4. 쌍생성 및 쌍소멸
⑼ 종류 9. 표면 플라즈몬 공명(SPR, surface plasmon resonance)
① 정의 : 양의 유전율(공기, 물 등)과 음의 유전율(금속)을 갖는 물질의 계면(interface)에 빛을 입사했을 때 자유전자가 공명진동하는 것
② 전자의 진동으로 인해 표면과 평행하게 전자기파가 발생
③ 특정 조건에서만 성립하는 공명 진동이기 때문에 굉장히 민감한 센서로 활용할 수 있음
④ 금속의 예시 : 은, 금, 구리, 티타늄, 크로뮴
⑽ 광원 선택 시 주의사항
① 충분한 복사 에너지를 방출하여야 함
② 파장별 에너지 분포가 안정되어 시간에 따라 변하지 않아야 함
⑾ 실제 광원
2. 전자기파의 조절 : 파장 선택기 (예 : 프리즘, 회전발, 광학 필터) [목차]
⑴ 회전발(diffraction grating)
① 정의 : 매끈하게 연마된 금속면에 톱니 모양의 홈을 파서 만든 것
○ 자외선과 가시광선 영역에 사용되는 반사 회전발은 1 mm 당 홈의 수가 300 ~ 6,000개임
○ 적외선 영역에 사용되는 반사 회전발은 1 mm 당 홈의 수가 10 ~ 200개임
○ 홈들은 모두 크기가 같고 평행하며 등 간격이어야 함
② 에셀레트형 회전발(echellette type diffraction grating)
○ 평행화 된 복사선이 회전발의 반사면에 닿으면 각 면에서 반사법칙이 일어남
○ 반사된 복사선들 사이에 상호 간섭이 일어남
○ 인접하는 복사선의 진행거리의 차이가 복사선 파장의 정수배가 되면 보강간섭이 일어남
⑵ 광학 필터
① 간섭 필터(interference filter)
○ 반투명한 2개의 박막 사이에 채워진, 얇고 투명한 유전체 층으로 구성됨
○ 브래그 회절(Bragg diffraction) : 유전체 층 두께가 작을수록 입사각이 클수록 복사선의 파장이 증가
○ 브래그 회절은 XRD(X-ray diffraction)의 원리가 됨
○ 특징 : 유효파장 폭(FWHM, full width at half magnitude)이 작음
② 흡수 필터(absorption filter)
○ 전체적으로 입사광을 약하게 하는 필터
○ 특징 : 유효파장 폭(FWHM, full width at half magnitude)이 큼
○ 예 : UV cut-off filter, NIR 흡수 필터
3. 전자기파의 전달 [목차]
⑴ 종류 1. 광섬유(optical fiber)
① 정의 : 수백 미터 또는 그 이상까지 복사선을 통과시킬 수 있는 유리, 용융 실리카 또는 플라스틱의 선 다발
② 지름이 0.05 ㎛부터 0.6 cm까지 다양함
③ 구조 : 코어(core), 클래딩(cladding)
④ 코어에 사용하는 물질은 클래딩에서 사용하는 물질보다 굴절률이 큼
⑤ 실제 적용
○ 실제로 광섬유를 여러 겹 사용 : 광섬유는 너무 얇아서 기하광학적 근사(즉, 스넬의 법칙)가 불가능함
○ 실제로 다양한 주파수의 빛을 중첩시켜 정보를 전달 : 파울리 배타원리가 적용되는 전자와 달리 빛은 중첩이 가능함
○ 섬유가 꺾이면 반사각이 불규칙해져 영상이 흐려짐 → 이를 방지하기 위해 graded index가 사용됨
○ ~0.2 dB/km loss
⑥ 재질에 따른 분류
○ 유리 또는 플라스틱 : 가시광선, 근적외선 영역
○ 용융 실리카 : 자외선 영역부터 근적외선 영역
⑦ 용도에 따른 분류
○ 반사 프로브
○ 투과 프로브
○ 딥 프로브(dip probe)
4. 전자기파의 검출 [목차]
⑴ 검출기의 특성
① 특성 1. 신호 대 잡음비 (S/N ratio, signal-to-noise ratio)
② 특성 2. NEP(noise equivalent power)
○ 정의 : 검출기에 의해서 감지될 수 있는 입사복사선의 최소 세기
○ 잡음의 세기와 같은 출력을 나타내는 신호의 세기를 나타냄
○ N : 잡음 전압 또는 전류 (RMS)
○ S : 출력신호 전압 또는 전류 (RMS)
○ Ee : 입사 복사선의 세기 (Wcm-2)
○ A : 검출기의 감광면적 (cm2)
○ Δf : 시스템의 주파수 폭 (Hz)
③ 특성 3. 검출한계 (detectivity) : D로 표시
○ 정의 : 검출 가능한 복사선의 최소 세기를 나타내는 척도
○ D = 1 / NEP
④ 특성 4. 검출 능력(detection capacity) : D*로 표시
○ 정의 : 검출기의 단위면적이 1 W의 복사선이 입력될 때 시스템 기준 주파수 폭 Δf = 1 Hz에 대한 S/N 비
○ D* = A0.5 / NEP
⑤ 특성 5. 분광 광도계(spectral photosensitivity) 또는 복사감도(radiant sensitivity) : (radiant sensitivity) : σ로 표시
○ 검출기에 입사하는 광의 세기의 rms 값에 대한 신호전압 또는 신호전류의 rms 값의 비율
○ 절대 분광 광감도 곡선 : 각각의 파장 λ에 대한 절대 분광 광감도를 그림으로 나타낸 것
○ 상대 분광 광감도 곡선 : 절대 분광 광감도의 최댓값이 1이 되도록 정규화한 곡선
⑵ 종류 1. 광전 검출기 중 내부광전효과 : 복사선을 흡수하면 전기 전도도가 증가함
① 종류 1-1. 광전도 검출기(photoconductive detector) 또는 광도전 셀
○ 정의 : 광도에 따라 자동적으로 저항의 값이 변하는 가변저항. 극성이 없음
○ 표기 : 때때로 λ로 표시하기도 함
○ 광도 계수 : 음의 값인 경우 광도 증가에 따라 저항 감소
○ 일반적으로 복사선을 흡수하면 전기 저항이 감소하는 반도체를 이용함
○ 1st. 빛을 조사하면 전자-정공 쌍이 발생 : 빛은 근적외선 영역 (750 nm ~ 3000 nm)
○ 2nd. 광도전 효과(photoconductive effect) : 전자-정공 쌍이 발생한 부분의 전기 전도도가 증가함
○ 3rd. 전기 전도도의 증가로 전류가 증가함
○ 4th. 이 전류의 변화를 측정하면 빛의 세기를 검출할 수 있음
○ 예 : CdS, CdSe, PbS, PbSe (800 nm ~ 2000 nm), Ge:Au, HgCdTe, Hg1-xCdxTe
○ 예 : 황화카드뮴 셀(CdS cell)
Figure. 7. 황화카드뮴 셀
○ 장점 : 고감도 소재. 소형. 저렴함. 전력 용량이 많음. 잡음에 강함. 교류 동작이 가능. 비교적 큰 출력
○ 단점 : 응답속도가 느린 편 (10 ~ 100 ms). 낮은 조도 특성. 주위광이 외란광이 되기 쉬워 히스테리시스가 큼
○ 빛이 없는 암실 : 약 200 kΩ의 저항을 가짐
○ 극장 객석 정도의 빛의 양 (10 lux) : 약 10 kΩ의 저항을 가짐
○ 빛의 양이 매우 많은 경우 : 저항이 매우 작아져 과전류가 흐름
② 종류 1-2. 실리콘 다이오드 검출기(silicon diode detector) : 광다이오드라고도 함
○ 정의 : 빛 에너지를 흡수하여 전기 에너지로 전환하는 소자
○ 역방향 바이어스 회로
○ 빛 에너지가 공핍 영역에 닿으면 전자-양공 쌍이 생성되어 전류가 흐르는 원리. 유사 광전효과
○ 즉, p형 반도체에 있는 전자가 n형 반도체의 전도띠로 전이하여 양공과 자유전자가 동시에 발생함
○ 센서 역할 : 광전류는 역바이어스 전압에 의존하지 않고 빛의 양에만 비례함 (∵ 광전효과도 전자수가 빛의 양에 비례)
○ 빛의 감도를 좋게 하려면 공핍 영역을 증가시켜야 함 (즉, 역치를 높임)
○ (참고) 암전류 : 빛을 인가하지 않아도 흐르는 전류
○ 예 1. CD 플레이어, 화재경보기, 리모컨 수신부
○ 예 2. 태양 전지
Figure. 8. 태양 전지의 회로
ⓐ : 전자의 방향, ⓑ : 전류의 방향, X는 n형 반도체
○ 예 3. 디지컬 카메라의 이미지 센서 (CCD)
○ 빛의 경로 : 렌즈 → CCD → 전류 신호로 변환 → 감지된 빛은 세기와 위치에 따라 밝기, 색상, 좌표 정보를 추출
○ 가시광선에서 동작해야 하므로 문턱 진동수는 가시광선보다 작아야 함
○ 예 4. 다중채널 광자검출기 (광 다이오드 배열 분광광도계)
○ 회전발에 의해 분산된 복사선을 각 파장별로 동시에 측정함
○ 주로 실리콘 다이오드 검출기 1024개 또는 2048개를 배열로 만들어 사용함
○ 장점 : 빠른 속도, 우수한 재현성, 여러 파장에서의 동시 측정
○ 단점 : 낮은 분리도 (1 ~ 3 nm) (분산형은 0.1 nm 가능), 광원의 세기 및 검출기 감응으로 인한 오차
○ 실시간 분광광도계에 이용됨
○ 예 5. pn 포토다이오드, pin 포토다이오드, 애벌랜치 포토다이오드, 포토트랜지스터, PSD, 1차원·2차원 어레이
③ 종류 1-3. 복합형
○ 포토인터럽터 : LED-포토트랜지스터 등
○ 포토커플러 : LED-포토다이오드 등
⑵ 종류 2. 광전 검출기 중 외부광전효과 : 복사선을 흡수하면 전자를 방출하여 광전류가 흐름
① 종류 2-1. 광전관(phototube)
② 종류 2-2. 광전자 증배관(PMT, photomultiplier)
○ 음극면 : 복사선을 받아 전자를 방출
○ 다이오드 : 음극면으로부터 전자를 받아 훨씬 많은 2차 전자를 방출. 다이오드는 여러 개가 사용됨
○ 양극 : 다이오드로부터 방출된 전자가 양극에 도달함
○ 장점 : 잡음이 적음. 감도가 좋음. 응담성이 좋음. 출력전류의 직선성이 좋음
○ 단점 : 기계적으로 약함. 공급 전원이 복잡함
③ 종류 2-3. X선 광전자 분광법(XPS, X-ray photoelectron spectroscopy)
⑶ 종류 3. 열 검출기
① 개요
○ 복사선을 흡수하여 온도가 증가하는 것을 이용
○ 열 흡수체는 열전달을 최소화하기 위해 진공 속에 밀폐함
○ 주로 광자의 에너지 수준이 낮은 적외선 검출 시 이용
② 종류 3-1. 초전형 : LiTaO3, PbTiO3, PVF2 등
③ 종류 3-2. 열전대(써모커플, thermocouple)
○ 제벡 효과 : 초전성이라고도 함
○ 정의 : 두 종류의 도체 또는 반도체의 한쪽 끝을 접합시킨 뒤 양 말단에 온도차를 가하면 기전력이 발생하는 현상
○ 유사 개념 : Peltier effect, Thomson effect
○ 원인 : 동일한 온도차라고 해도 물질의 종류에 따라 양 접합부의 퍼텐셜 차이가 달라짐
○ 각 물질은 서로 다른 전압값을 가지는 전지로 간주할 수 있음 → 알짜 전류가 생성됨
○ (주석) 저항이 낮은 물질은 퍼텐셜 차이가 작지 않을까 추정 (아닐 수도 있음)
○ 1821년 Thomas S. Seebeck에 의해 발견
○ 대개 한쪽 끝을 얼음물(0 ℃)에 담가 온도 센서로 이용함
○ 열기전력의 크기와 극성은 금속선의 굵기 또는 길이에 영향을 받지 않음
○ 제백계수 : 온도차 1 ℃ 당 열기전력
○ 종류
○ Bi와 Sb 박막 다결정 실리콘 등을 재료로 함
○ K type : chromel과 alumel
○ 그 외 : E, J, N, B, R, S
○ 실제 전원으로 사용하기에는 너무 약함
○ 써모커플은 써미스터보다 더 넓은 온도 범위에 대해서 사용할 수 있음
④ 종류 3-3. 볼로미터(bolometer)
○ 입사 적외선을 흡수해서 가열되면 물체의 온도가 증가하고 물체의 저항이 변화함
○ 종류 1. 금속 : 백금 또는 니켈과 같은 금속 세선 (RTD, resistance temperature diode)
○ 종류 2. 반도체
○ 종류 2-1. 써미스터(thermistor) : 온도에 따라 자동적으로 저항의 값이 변하는 반도체 가변저항
Figure. 12. 써미스터의 표기
○ 종류 2-2. 실리콘(silicon)
○ 종류 3. 초전도체(superconductor)
입력 : 2020.04.01 17:19
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