광학〔optics〕

광학〔optics〕

 

빛의 발생과 진행(propagation), 혹은 빛이 만들어내는 변화 및 기타 빛과 밀접하게 연관된 제반 현상을 취급하는 과학.

 

 

광학에는 물리광학(physical optics)과 기하광학(geometrical optics)이라는 2개의 주요분야가 있다. 물리광학은 주로 빛 자체의 본성이나 성질을 다룬다. 반면에 기하광학은 거울이나 렌즈, 기타 제반 장치의 결상화(結像化 image-forming) 특성을 지배하는 원리를 다룬다. 또 간섭광학계로 형성된 영상정보 내용의 조작을 포함한 광학자료 처리과정도 여기에 속한다.

 

 

빛의 본질 및 특성에 관한 연구는 고대 그리스와 아라비아까지 거슬러 올라간다. 그러나 광학의 과학적 기초는 17세기에 이르러 정립되었다. 1600년대초 갈릴레오 갈릴레이는 최초로 망원경을 제작해 천체관측에 이용했다. 그리고 1650년대 프랑스의 수학자 피에르 드 페르마는 알렉산드리아의 기하학자 헤론(AD 1세기)이 제안했던 원리에서 굴절의 법칙을 유도하는 데 성공했다. 페르마 원리에 따르면, 반사광은 반사표면과 만나는 두 점 사이의 최단거리를 통과한다.

 

17세기말 네덜란드의 수학자이자 물리학자인 크리스티안 호이헨스는 〈빛에 관한 논문 Traitéde la lumière〉(1690)에서 반사와 굴절을 역학적으로 설명했다. 또 같은 논문에서 빛은 파동처럼 운동한다는 것을 골자로 한, 빛의 본성에 관한 이론을 정립했다.

 

1704년 아이작 뉴턴은 굴절·산란·편광·회절에 관한 광범위한 연구와 빛의 입자성(빛은 운동하는 입자로 구성되어 있다는 이론)을 이론적으로 기술한 책 〈광학 Opticks〉을 발간했다. 이러한 뉴턴의 견해, 특히 빛의 입자설은 거의 1세기 이상이나 과학계를 지배하여 호이헨스의 이론을 완전히 압도하였다.

 

1800년대초 영국의 의사이자 물리학자인 토머스 영은 빛의 간섭현상을 연구하여, 빛의 파동적 성질을 발견했다. 이를 프랑스의 오귀스탱 장 프레넬이 수학적으로 분석하여 확인함으로써, 영의 발견은 빛의 파동이론을 부활시켰다.

 

파동설은 고전광학의 최대성과인 '빛의 전자기론'(1864)을 정립한 영국 물리학자 제임스 클럭 맥스웰을 비롯하여, 수세대 동안의 후대 연구자들에게 영향을 주었다. 맥스웰의 이론에 따르면 빛과 기타 여러 형태의 복사에너지들은 전자기파의 형태, 즉 전하의 진동이나 가속으로 생성되고 파동운동과 관련된 시간적·공간적 제반 관계의 특징인 교란(disturbance) 형태로 전파된다.

 

세기가 바뀔 무렵, 광학에 양자론이 도입되어 현대 광학의 기초가 마련되었다. 1900년 독일의 막스 플랑크가 제안한 이 이론에 따르면 복사에너지는 불연속적인 단위, 즉 양자(量子)로 방출된다. 1905년 아인슈타인은 광전효과(photoelectric effect)에 관한 논문에서 이 개념을 확장하여, 빛은 나중에 광자(光子)로 불리게 되는 미세한 입자에 모든 에너지가 집중되어 있는 것처럼 운동한다는 사실을 증명했다. 아인슈타인의 발견과 맥스웰의 전자기론이 결합하여 빛은 어떤 상황에서는 파동성을 띠고 또다른 상황에서는 입자성을 띤다는 현대적 이론이 발전되었다.

 

주로 1925~35년 사이에 이루어진 일련의 양자역학 (quantum mechanics)의 발전으로 빛의 파동입자 이중성이라는 기본개념이 체계적으로 설명되었다.

 

물리광학의 발전은 기하광학의 신속한 발전과 병행되었다. 1700년대 후반부터 망원경이나 현미경용으로 꽤 질이 좋은 렌즈가 생산되기 시작했고, 1841년 독일의 수학자 카를 프리드리히 가우스는 기하광학에 관한 비중있는 논문을 발표했다. 거기서 그는 렌즈계의 초점거리와 주요점(cardinal points)의 개념을 자세하게 설명하는 한편, 일정한 초점거리를 가진 렌즈가 만들어낸 상의 위치와 크기를 계산하는 데 필요한 공식을 고안했다.

 

그로부터 10년이 조금 지난 뒤, 가우스의 이론적 업적은 렌즈의 5가지 기본수차인 구면수차, 비대칭수차(혹은 코마), 비점수차(astigmatism), 상의 곡률(Petzval field curvature), 상의 변형(distortion)에 대한 계산으로 확장되어서 그 이후 100여 년 동안 렌즈를 설계하는 데 필요한 형식적인 방법의 토대를 마련했다.

 

1950년대의 정보통신이론의 등장과 1960년대 초기의 레이저 발명이라는 2가지 주요한 발전은 광학의 새로운 시대를 열었다(→ 통신 시스템). 광학과 통신이 애초에 연결된 것은 두 분야가 많은 유사점을 갖고, 전기회로와 광학계의 작동을 기술하는 수학적 방법이 비슷했기 때문이었다. 렌즈가 영상장치로 고안되고 난 후 화상을 형성하는, 즉 대상의 정보를 전송하고 영상화하는 광학계의 기술에 줄기찬 관심이 집중되었다. 이런 의미에서 광학계는 일종의 통신 채널로 간주되며, 또 같은 방식으로 분석될 수 있다.

 

가간섭광(단일한 진동수를 갖는 단색광이나 모든 성분이 동일한 위상으로 진행하는 다색광)을 쓰는 광학계로 영상의 내용을 조작하는 문제는 1950년대의 심층적인 연구주제가 되었다. 레이저는 광학자료 처리와 통신에 이상적인 도구가 되었다. 레이저의 이용으로 중간매개 기록이 물체와 관련된 복소전자장으로 이루어진 2단계 간섭결상 과정인 홀로그래피가 현저히 발전하였다. 광학정보처리 분야에 홀로그래피를 적용한 보다 주목할 만한 예의 하나는 이진(binary) 정보저장과 정보검색이다.

 

이외에도 레이저는 음성 및 영상 정보전송에 매우 효율적인 수단(예를 들면 전화통화나 텔레비전 프로그램)이 되어왔다(→ 정보과학). 레이저가 통상적인 전자전송을 능가하는 데는 몇 가지 이유가 있다. 예를 들어 레이저광은 전파에 비해 매우 큰 진동수를 갖고 있기 때문에 실질적으로 보다 많은 정보를 전송할 수 있다. 더욱이 레이저 빔은 지향성이 매우 높기 때문에 간섭이 거의 없이 장거리 정보전송이 가능하다. 레이저를 장거리통신에 사용함에 있어서 종종 레이저광을 한 중계소에서 다음 중계소로 에너지 손실이 거의 없이 전송하기 위해 유리나 플라스틱으로 된 광섬유로 연결하곤 한다.

 

(옮겨옴)