광학 효과

1. 전기광학효과(Electrooptic Effect)

전기광학효과는 광파의 주파수에 비해, 천천히 변화하는 교류 전기장 또는 직류 전기장을 물질에 가하면 반사, 굴절, 흡수 또는 산란 등 물질의 광학적 성질이 변화하는 현상을 넓게 전기 광학효과라고 한다. 광파 자체의 전기장의 세기에 의해, 광학적 성질이 변화하는 경우는 비선형 광학분야에서 다루어진다. 대개의 경우, 전기 광학효과는 전기장에 의해 물질의 굴절률이 변화하는 성질을 말한다. 굴절률의 변화량이 전기장의 1차 비례할 때를 1차 전기광학효과 또는 포클스 효과, 굴절률의 변화량이 전기장의 2차에 비례할 때를 2차 전기광학효과 또는 커 효과라고 한다.

전기광학효과는 굴절률 타원체가 가해진 전기장에 의해, 타원 형태가 미소한 변형을 함으로써 다루어진다. 굴절률 타원체는 일반적으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

B₁x² +  B₂y² + B₃z² + 2B₄xy + 2B₆zx = 1

x, y, z축이 전기적 주축으로 선택되어 있을 때에는, B1=1/nx2, B2=1/ny2, B3=1/nz2,  B4=B5=B6=0이 된다. 그러나, 전기장이 가해지면, 전기적 주축의 방향이 변화하고 일반적으로는, 앞서 말한 6개의 파라미터에서 굴절률 타원체가 나타나게 된다. 이들 6개의 파라미터는 전기장 Ex, Ey, Ez의 3개의 성분과 관계된다.

포클스 효과에서는 굴절률 타원체를 나타내는 6개의 파라미터  Bi(i는 1, 2, 3‥‥‥6의 정수)의 미소한 변화량 Bi는, Ex = ri1Ex + ri2Ey  + ri3Ez  (i= 1, 2, 3, ……6)과 같이 일차량 Ex, Ey, Ez와 관계지을 수 있다. 이 3×6=18개의 파라미터 rij를 포클수의 정수 또는 1차 전기광학 효과정수라 하며, 물질에 고유한 것이다. 마찬가지로 커효과 즉, 2차의 전기 광학효과의 경우는 ExEx, EyE y, EzEz, Ex Ey, EyE z, Ez E x의 6개와 2차량과 B11B22……등이 관계되므로, 6 × 6의 36개의 파라미터로 전기장과 관계지을 수가 있다. 이들의 파라미터를 2차 전기광학 효과정수라고 한다. 실재로는 전기광학 효과정수는 결정의 대칭성이 의해, 0이 되거나 또는 서로 같은 경우가 많으므로 실제의 파라미터의 수는 훨씬 적다.

전기광학효과에 의하면 전기장에 따라 굴절률의 크기를 제어할 수가 있기 때문에 광변조기, 광스위치, 등의 유용한 디바이스에 이용된다.

넓은 의미의 전기광학효과로써, 프란츠켈딧슈 효과가 있다. 절연체 또는 반도체에 있어서, 전기장을 가하면, 기초 흡수단의 파장이 길어지는 것을 말한다. 가전자대의 전자가 전기장에 의해, 터널효과로 전도대게 파고드는 것에 의한다.

 

2. 자기광학 효과(magnetooptic effect)

자기광학 효과는 자기장 중에 물질이 놓여질 때, 물질의 광학적 성질이 변화하는 현상을 말한다.

전자의 에너지준위가 분열하는 지만 효과(Zeeman effect), 선형 편광의 방향이 회전하는 패러데이 효과(Faraday effect), 반사광의 편광방향이 바뀌는 자기광학적 커 효과(Kerr effect), 보그트 효과(Voigt effect) 또는 코튼무튼 효과라고 말해지는 자기 복굴절 등이 자기광학효과의 대표적인 예이다.

 

3. 패러데이 효과(Faraday effect)

패러데이 효과란 물질에 자기장를 가하면, 자기장의 방향으로 선형편광이 전파할 때, 편광의 방향이 회전한다. 이는 좌회전 및 우회전의 원편광에 대한 굴절률이 다른 복굴절에 기인한다. 편광의 회전 각도를 전파하는 방향에 대해서 우회전 방향을 정으로 측정하는 것으로,

θ F=VHd

로 나타낼 수가 있다. V는 버젯상수 또는 패러데이 상수라고 한다. H 및 d는 각각 가해진 자기장 및 물질의 두쩨이다. 자기장의 방향으로 광파가 전파할 때 θ F >0이 되는 물질에 대해서는 V >0 이 된다. 자기장의 방향과 광파가 전파하는 방향이 반대일 때, V >0의 물질에서는 θ F는 마이너스 크기 즉, 전파방향에 대해서 좌회전으로 편광의 방향이 회전한다. 대개의 광학 활성에 의한 편광축 회전과는 달리, 전파방향에 대해서 일정한 방향으로 회전하지 않는다.

이와 같은 비가역적인 현상을 이용하여, 광 아이솔레이터 및 써클레이터의 비상반 광학 디바이스가 만들어지고 있다(아이솔레이터, 써클레이터). 자기장에 수직인 방향으로 광파가 전파할 때 생기는 복굴절을 코튼므튼 효과라고 하고 한다. 자기장과 평행한 선형편광과 자기장에 수직인 선형편광의 2개의 편광에 대해서 굴절률이 다르고, 양자간에 위상차 Δφ가 생긴다. Δφ는 물질의 두께 및 자기장의 2승에 비례한다. 자기장에 대한 2차의 약한 효과이므로, 광디바이스로는 이용되지 않는다.

패러데이 효과와 코튼무튼 효과를 자기복굴절(magnetic bireringence)이라고 한다.

 

 4. 자기적 커 효과(magnetic Kerr effect)

자기적 커 효과는 물질이 자기장 속에 놓인 후, 물질에 광파가 입사했을 때, 반사광의 편광상태 또는 반사율이 자기장 즉, 자화의 크기에 따라 변화하는 현상이다.

자기장 또는 자화 방향과 입사면의 취급에 의해, 커효과는 분류되고 있다. 극(極) 커 효과, 종(縱) 커 효과 및 횡(橫) 커 효과가 있다.

5. 광탄성효과(photoelastic effect)

광탄성효과는 물질이 기계적으로 왜곡되면 굴절률 크기가 변화하고, 비틀림을 제거하면 굴절률의 크기가 본래로 돌아가는 현상이다.

기계적인 비틀림과 굴절률의 변화는 굴절률 타원체의 변화로 다루어진다. 물질의 비틀림은 비틀림 텐션이라는 6개의 양으로 주어진다. 굴절률 타원체는 일반적으로 6개의 파라미터로 나타나기(굴절률 타원체, 전기광학 효과) 때문에, 굴절률 타원체를 나타내는 6개의 파라미터의 변화와 왜곡과의 사이는 6 × 6 의 36개의 정수로 관련지을 수가 있다. 이 정수를 광 탄성계수라고 한다.

광 탄성효과는 여러 점에서 이용되고 있다. 등방성 물질에서도 왜곡에 따라, 굴절률의 변화가 생기고 복굴절을 나타내게 된다. 이것을 이용하여 물질에 부과하고 있는 왜곡의 측정에 이용되고 있다.

편광유지 광섬유에서는 코어에 부를 발생시키고, 그것을 보유하는 것에 의해, 복굴절을 발생하게 하고 있다(편광유지 광섬유), 또, 광섬유에 측면에서 가해지는 힘에 의해, 광섬유의 굴절률이 변화하는 것을 이용한 광섬유 센서 또는 변조기 등에도 이용되고 있다. 

6. 음향광학효과(acoustooptic effect)

초음파는 비틀림이 파동으로서 전달되는 것이다. 초음파가 물질 내를 전달하면, 주기적인 왜곡에 의해 굴절률도 주기적으로 변화한다. 즉, 회절격자가 음파에 의해 형성되고, 광파와 상호 작용하는 반면, 드래그회절 등의 현상을 발생한다. 물질의 표면을 전달하는 초음파는, 파의 성질이 벌크의 내부를 전달하는 음파와 달리 표면 탄성파(surface accoustic wave)라고 불리고, SAW로 생략해서 불리기도 한다.

SAW가 물질 표면을 전달하면 굴절률 변화가 표면에 형성된다. 광 도파로로 SAW를 이용한 여러 광 제어회로가 만들어지고 있다. 광편향기, 광상관기, 광퓨리에 분석기 등이 있다.


출처 네이버 센서 카페