편광

편광은 빛이 횡파임을 보여 준다

비편광은 전기장 방향이 “없다”는 뜻이 아닙니다. 관측 시간 동안 횡방향 진동 방향이 계속 바뀌어 고정된 우선축이 없는 상태입니다. 선형 편광에서는 전기장 진동 방향이 일정합니다. 빛이 진행할 때 E⃗ 는 진행 방향에 수직이며, 편광은 그 횡단면 안의 방향을 나타냅니다. 전자기파에서는 자기장도 횡방향으로 진동하고 전기장·자기장·진행 방향이 서로 수직이지만, 보통 편광 광학에서는 E⃗ 의 방향을 편광 방향으로 정의합니다. 이상 유체의 일반적인 음파 같은 종파에는 같은 횡방향 자유도가 없으므로 회전 편광자로 같은 방식의 방향 선택을 할 수 없습니다.

편광자는 하나의 진동 축을 선택한다

이상적인 선형 편광자는 입사 전기장 중 투과축에 평행한 성분만 통과시킵니다. 완전한 비편광에서는 모든 횡방향이 평균적으로 동일하므로 첫 이상 편광자 뒤의 평균 세기는 I = I_unpol/2입니다. 그 뒤의 빛은 이미 선형 편광이므로 다음 편광자마다 무조건 1/2을 다시 곱하지 않습니다. 첫 편광자에서 1/2이 되는 것도 투영으로 이해할 수 있습니다. 한 방향에 대한 전기장 진폭은 E=E₀cosθ이고 세기는 진폭의 제곱에 비례합니다. 무작위 방향 전체에서 평균하면 ⟨cos²θ⟩=1/2입니다. 이 평균은 비편광 입력에 한 번만 적용합니다.

말뤼스 법칙

이미 선형 편광된 세기 I₀의 빛에 대해, 편광 방향과 분석기 축의 각이 θ이면 I = I₀ cos²θ입니다. θ = 0°에서 이상 투과가 최대이고 90°에서 0입니다. I₀가 첫 편광자를 통과한 뒤의 값을 뜻한다면 1/2을 또 적용하지 않습니다. 말뤼스 법칙의 제곱은 경험적 보정이 아니라 전기장 진폭을 투영한 뒤 그 진폭의 제곱이 세기가 된다는 사실에서 나옵니다. I∝cosθ로 쓰면 진폭과 에너지 흐름을 혼동합니다. 이상적으로 서로 직교한 두 편광자는 0을 주지만, 그 사이에 세 번째 편광자를 넣으면 단계적 투영 때문에 다시 0이 아닌 빛이 나올 수 있습니다.

반사도 빛을 편광시킬 수 있다

비금속 표면의 반사는 특정 편광 방향을 더 잘 반사할 수 있어 편광 선글라스가 도로나 물의 눈부심을 줄입니다. 브루스터 각에서는 반사광과 굴절광이 서로 수직이고, 이상적인 경우 반사광이 한 방향으로 완전히 편광됩니다. 실제 편광자는 흡수와 산란, 유한한 소광비 때문에 0%와 100% 한계에 정확히 도달하지 않습니다. 편광 선글라스의 눈부심 억제는 단순히 모든 빛을 어둡게 하는 것이 아닙니다. 반사광에서 우세한 특정 편광 성분을 선택적으로 줄이면서 다른 방향의 빛은 더 남깁니다. 이 선택성이 단순 중성 회색 필터와의 핵심 차이입니다.

말뤼스 법칙 전에 확인할 세 가지

계산 전에 세 가지를 확인하세요. 현재 소자에 들어오는 빛이 이미 편광되어 있는가, 분석기 바로 전의 편광 방향은 무엇인가, θ는 그 방향과 분석기 투과축 사이의 각인가. 전파 방향과의 각을 쓰거나 비편광의 1/2 인자를 두 번 적용하는 것이 대표적인 오류입니다. 실험에서는 편광판에 표시된 투과축, 실제 전기장 편광 방향, 소자의 비이상적 투과를 구분해야 합니다. 상대 세기가 주어지면 I₀가 어느 단계의 값을 뜻하는지 먼저 확인하고, 절대 세기라면 각 소자의 비율을 순서대로 추적합니다.

예제

1. 60° 분석기

세기 80 W·m⁻²인 선형 편광이 편광 방향과 60°인 분석기에 들어갑니다.

2. 첫 이상 편광자

세기 100 W·m⁻²인 이상적 비편광이 첫 이상 편광자를 지납니다.

3. 이어지는 분석기

첫 편광 뒤 세기가 60 W·m⁻²이고 다음 분석기가 30°입니다.