1. 개요
光學 / Optics광학은 전자기파의 특성을 연구하는 응용물리 분야이다. 전근대에는 물론 일반적으로 빛이라 부르는 가시광선만 연구했지만 맥스웰에 의해 가시광선이 전자기파의 일종이라는 사실이 드러나자 광학은 전파부터 감마선까지의 모든 영역에 걸친 연구분야로 발전하기 시작했다. 또한 빛은 물리학에서 전자기파 자체를 가리키는 말이 되었다.
상당히 오랜 역사를 자랑하는 학문으로, 양자역학, 통계역학, 전자기학, 상대성 이론, 분광학과 밀접한 관련이 있다. 물리학의 역사 및 응용물리 분야 안에서 큰 비중을 차지한다. 산업적으로 응용범위가 넓으면서도 공대에서는 비교적 덜 전문적으로 다루는 반면, 물리학과에서는 심도있게 연구하는 학문이기 때문에 고체물리학과 함께 물리학도들의 취업을 책임지는 핵심 밥줄을 맡고 있다.[1] 해외의 몇몇 대학들은 광학을 물리학 전공과 따로 구분하기도 한다. 이는 레이저, 무선통신, 광학 시스템 설계, 광측정, 기하광학, 양자광학 등 셀 수 없을만큼 많은 하위 분야가 뻗어있기 때문으로, 분야가 굉장히 폭넓고 깊다.
2. 역사
2.1. 거울과 렌즈의 등장
광학의 역사는 인류가 빛을 기술적으로 이용해오기 시작한 기원전까지 거슬러 올라간다. 최초로 빛을 이용하는 데에 쓴 도구는 거울인데, 초기의 인류는 수면에 반사되는 빛을 거울로 사용했으리라고 추측된다. 현존하는 가장 오래된 거울은 아나톨리아의 차탈회위크 (Çatalhöyük)에서 발굴되었는데, 현재로부터 약 8000년 전에 흑요석으로 만들어졌다고 한다.[2] 또한, 세소스트리스 2세의[3] 피라미드 근처에 있는 노동자 거주지역에서 완벽한 상태의 거울이 발견되었다. 렌즈 또한 인류 역사 초기에 제작된 도구인데, 기원전 700년경에 아시리아에서 석영 등의 광물을 깎아서 만든 렌즈가 발굴될 정도라고 한다. 성경 등에서도 거울에 대한 묘사가 등장하는데, 이는 출애굽기 38장 8절에서 확인할 수 있다.2.2. 고대-중세: 빛의 성질 탐구
빛의 성질에 대한 연구가 처음으로 시작된 것은 고대 그리스 시기로 보인다. 피타고라스, 데모크리토스, 엠페도클레스, 플라톤, 아리스토텔레스 등의 많은 학자들이 빛의 성질에 대해 탐구하였다. 예를 들어 빛의 직진성과 반사의 법칙은 유클리드의 책 반사광학(Catoptrics)에서 설명되었는데, 헤론은 빛이 한 점에서 다른 점으로 갈 때 가장 짧은 경로를 따라 이동한다고 주장하여 이 현상을 설명하고자 했다.[4] 다른 예시로 빛의 굴절 현상을 들 수 있는데, 클레오메데스(Cleomedes)는 빛의 굴절 현상을 정량적으로 해석했고,[5] 프톨레마이오스는 다양한 매질 속에서 빛의 입사각과 굴절각을 기록하였다.10세기 즈음에 이븐 사흘 (Ibn Sahl) 은 거울과 렌즈를 연구하며 최초로 빛의 굴절 현상을 도식적으로 묘사했다. 그 외 활약한 이슬람 학자에는 대표적으로 이븐 알하이삼이 있다.
2.3. 근대 이후: 빛의 입자성과 파동성
본격적으로 광학이 물리학에 포함된 것은 17세기부터이다. 위대한 물리학자인 뉴턴은 고전 광학에서도 큰 족적을 남긴 학자로, 프리즘에 태양광을 입사시켰을 때 나타나는 분광 현상 및 빛의 다양한 성질을 연구하고 발표했다.2.4. 현대: 빛의 이중성
이 시기에 하위헌스 원리를 발견한 과학자 하위헌스는 빛이 파동이라 생각한 반면, 뉴턴은 빛이 입자의 흐름이라 생각하였다. 이 때부터 불붙기 시작한 빛이 파동이냐 입자냐에 대한 논쟁은 20세기 초까지 이어진다. 이 논쟁에서 '빛= 파동'설을 지지한 대표적인 학자는 영의 이중슬릿 실험으로 유명한 토마스 영, 맥스웰 방정식을 토대로 빛이 전자기파임을 밝혀낸 제임스 클러크 맥스웰 등이 있으며, '빛= 입자'설을 지지한 대표적인 학자로는 광전효과를 밝혀낸 알베르트 아인슈타인[6] 등이 있다. 이 논쟁은 결국 1900년대 현대물리학의 대표적 성과로 손꼽히는 양자역학의 정립과 함께 빛은 파동의 성질도 입자의 성질도 가지고 있다라고 결론이 났고, 더 나아가 사실 빛 뿐만 아니라 모든 물질이 다 파동의 성질과 입자의 성질을 가진다라는 물질파 이론 개념까지 확장이 되면서 현대 광학의 역사가 시작된다.3. 교재
- Hecht 광학 5판(조재흥, 황인각 역 )
내용이 정말 많은 책으로 응용사례, 본문 내용, 물리학적 역사까지 소개되어 있다. 챕터 5,6의 기하광학 파트는 약간 공대적이긴 하지만, 전자기학+일반물리 광학 내용과 파동광학 부분은 극찬받는다. 단점이라면 정성적인 설명을 해놔서 말이 좀 많다(...) 그래서 원서보단 번역서를 사는것을 추천한다.
4. 세부 분야
역사적으로 나누면 고전 광학과 현대 광학으로 나눌 수 있다. 고전 광학은 고전 물리학을 이용해 기술이 가능한 부분이고, 현대 광학은 현대 물리학을 동원해야 기술 가능한 부분이다. 물론 연구로써의 학문이 아닌 이해와 활용으로써의 학문에 한정된 이야기. 정확히 말하면, 물리학과에서 연구하는 광학은 무조건 현대광학이지만 공학적으로는 두 가지 모두 다양한 분야에서 최적화와 효율성같은 측면에서 두루 연구된다.더 세부적으로 들어가면 기하광학, 파동광학, 분광학, 양자광학, 비선형광학 등이 있다.
- 기하광학은 맥스웰 방정식에서 광학기기에 비해 충분히 짧은 파장 대한 근사적인 광학 이론이다. 빛을 빛살로 나타내며, 굴절과 반사 법칙을 이용하여 거울, 렌즈, 프리즘 등의 광학기기의 원리를 설명할 수 있다.
- 파동광학은 맥스웰 방정식에서 편광을 무시하고 빛이 한 종류의 파동, 또는 근사적으로 단색광이라 가정한 상태에서의 광학 이론이다. 기하광학의 모든 결론을 포함하고 있으며, 회절과 간섭 등 파동에서만 나타나는 현상들을 추가적으로 설명할 수 있다. 영의 간섭 실험으로부터 빛이 파동이라는 사실이 증명된 후 여러가지 종류의 간섭계가 등장하였다. 간섭 현상을 이용하면 매우 정밀한 측정이 가능하다. 또한, 빛이 광원으로부터 멀리 떨어지지 않은 경우에 해당하는 근접장에서의 광학계를 이용하여 파장보다 작은 영역의 분해능을 갖는 근접장 광학을 포함한다.
- 물리광학은 파동광학에서 편광에 대한 부분을 포함하는 광학 이론이다. 편광은 빛이 진행하는 방향에 대해 수직으로 갖는 두가지 자유도에 해당하는데, 전기장의 진동 방향을 편광의 방향으로 한다. 빛이 진행하는 방향에 대해서 수직인 평면을 하나 생각할 수 있고, 이 평면의 기저 벡터에 해당하는 두 성분이 편광의 두 성분이 된다. 복굴절, 광학 활성 등 편광에 따라 다르게 나타나는 물질의 성질을 설명할 수 있다.
- 양자광학
- 비선형 광학은 빛의 세기가 매우 강하여 빛에 대한 물질의 반응이 더이상 선형적이지 않은 경우에 대한 이론이다. 고차조화파 발생, 사광파혼합, 라만 산란, 브릴루앙 산란, 커 효과 등이 비선형 광학으로 설명할 수 있는 현상들이다.
- 분광학: 레이저를 이용한 분광학 방법에는 고분해능 분광학, 이광흡수 분광학, 포하분광학, Hanel효과, 이주공명 광학 등이 있다.
4.1. 물리학과 대학원
물리학과 대학원에서 광학을 공부할 경우, 그 시작으로는 광학(석사)을 배우게 된다. 전자파의 기초, 영상에 관한 기하광학, 수차분석, 빛의 간섭및 그 응용, 회절및 Fourier 광학, 전자파의 해석적 표현, 시간및 공간 결맞음(coherence), 홀로그래피, 결정광학 및 비선형광학 등을 다룬다.그 후로는 다음 과목들을 배우게 된다.
- 결정광학 (Crystal Optics): 전자기파의 편광을 기술하는 기본이론, 주어진 편광상태의 전자기파가 Anisotropic한 결정(Crystal)을 전파할 때 나타나는 편광의 특성
- 광 및 검출기 (Radiation and Detectors): 전자기파, 흑체복사, Radiometry, Photometry, Vision, 광검출기와 Noise, Photoemissive, Photoconductive, Photovoltaic, Thermal detectors, Coherent Detection, 복사장의 요동
- 광자학 (Photonics) 기초: 레이저에 의한 결맞는 빛의 발생, 광학소자나 광도파관에서의 전파, 변조 (전기, 음향, 광 이용), Switching, 비선형 물질에 의한 주파수 변환과 증폭
- 광정보처리 (Optical Information Processing): 푸리에 광학, 홀로그래피, Spatial Filters, Spatial Light Modulator, Diffraction Pattern, 광학 패턴인식, 스펙클(Speckle) 영상법, Incoherent Optical Processing, Quantum-limited Image Processing, Nonlinear Optical Processing
- 광학기기 (Optical Instruments): 단순한 광학기기는 망원경 등을 말한다. 하지만 대학원에서는 광학부품검사(Optical Testing)에 사용되는 다양한 간섭계 (Fizeau, Twyman-Green 등), 프리즘, Grating, Fabry-Perot 간섭계 등의 분광학 기기를 다룬다.
- 도파로광학 (Guided-Wave Optics): 여러 형태의 광도파관(Waveguide)에 전자기파를 유도시킬때 적용되는 기본이론으로서 각도파관들의 Mode Analysis, 도파관들 사이의 Optical Coupling등을 다루고 이들을 광섬유에 적용한다.
- 레이저 광학 (Laser Optics): Laser공명기에 관한 Scalar이론과 레이저 동역학에 관한 비선형 미분방정식을 유도하고, Q-Switching, Mode-Locking, Laser증폭기에 관한 이론을 다룬다.
- 렌즈 설계 (Lens Design): 수차, 광학계평가, Spot Diagram, MTF와 OTF, 광선추적, 감쇠 최소자승법 등의 최적화 기법, Merit Function, 광학유리특성, 그리고 렌즈 설계 Software를 이용한 설계 실습을 다룬다.[7]
- 비선형광학 (Non-Linear Optics): 레이저 광속을 이용하는 Harmonic Generation, Sum Frequency및 Difference Frequency Generation, Parametric Frequency Generation, Four Wave Mixing, Hole-Burning Spectroscopy와 Polarization Spectroscopy의 비선형 광학적 원리.
- 양자광학 (Quantum Optics): 빛의 양자성격에 관한 실험적인 사실과 그 결과를 체계화한 이론.
- 통계광학 (Statistical Optics): 응용확률론, Stochastic Processes, 빛의 가간섭성, Van Cittert-Zernike Theorem, 레이저 스펙클과 그 응용, Photoelectric Detection
- 홀로그래피 및 회절광학 (Holography and Diffractive Optics): 홀로그래피, 감광물질, 홀로그래픽 회절격자, 표면양각 회절격자등의 전자기 이론, 회절광학소자(DOE, Diffractive Optical Elements), Binary Optics, DOE를 포함하는 광학 시스템 설계, Computer-Generated Holography 등
5. 응용 분야
- 의광학: 빛이 인체 조직을 만나며 투과, 반사, 산란 등의 현상을 일으키는 점에 착안하여 의료 진단 장비 개발에 응용하는, 최근에 등장한 분야이다. 일례로 적외선을 이용해 혈류 변화를 관할하는 NIRS가 있다. 그보다 더 쉬운 예는 바로 내시경과 현미경.
6. 관련 문서
[1] 고체물리학이 재료과학/공학과 밀접 하다면 광학이 다루는 빛은 입자성을 가진 전자기파라는 것에서 응용 범위가 넓다.[2] 출처: Enoch, J. M. (2006). History of mirrors dating back 8000 years. Optometry and vision science, 83(10), 775-781. DOI: 10.1097/01.opx.0000237925.65901.c0[3] Sesostris II 혹은 Senusret II. 기원전 1897년부터 1878년까지 이집트를 통치했던 파라오.[4] 과학사에 대해 지식이 있는 사람이라면 이 구절을 읽고 페르마의 원리를 떠올렸을 것이다. 다만 헤론과 페르마가 묘사가 완전히 같지는 않은데, 헤론은 빛이 이동하는 거리, 페르마는 빛이 이동하는 시간에 초점을 맞추었다.[5] Carl B. Boyer의 책 The Rainbow: From Myth to mathematics의 p61[6] 아인슈타인이 빛이 파동임을 부정했다는 건 아니다.[7] 사실상 기하광학에 가깝기 때문에, 프로그램을 다루는 것을 중점적으로 배우게 되는데 이곳에서 설명하는 software 는 사실상 Zemax 를 말한다고 보아도 좋다.