공통 경로 간섭계

공통 경로 간섭계()는 참조 빔과 샘플 빔이 동일한 경로를 따라 이동하는 간섭계의 한 종류이다. 예시로는 사냐크 간섭계, 제르니케 위상차 간섭계, 점 회절 간섭계 등이 있다. 공통 경로 간섭계는 일반적으로 마이컬슨 간섭계 또는 마흐-젠더 간섭계와 같은 "이중 경로 간섭계"보다 환경 진동에 더 강하다. 동일한 경로를 따라 이동하지만, 참조 빔과 샘플 빔은 서로 반대 방향으로 이동할 수도 있고, 동일한 방향으로 이동하되 동일하거나 다른 편광을 가질 수도 있다.

이중 경로 간섭계는 참조 및 샘플 암 사이의 위상 변화 또는 길이 변화에 매우 민감하다. 이 때문에 이중 경로 간섭계는 작은 변위 측정, 굴절률 변화, 표면 불규칙성 등 과학 및 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 그러나 참조 및 샘플 경로 간의 상대 변위 또는 굴절률 차이에 대한 민감도가 바람직하지 않은 응용 분야도 있으며, 다른 속성 측정에 관심이 있을 수도 있다.

 선정된 예시 
750px|섬네일|none|그림 1. 공통 경로 간섭계의 선정된 예시

 사냐크 

사냐크 간섭계는 길이 또는 길이 변화를 측정하는 데 전혀 적합하지 않다. 사냐크 간섭계에서 빔 분할기에서 동시에 나오는 두 빔은 사각형의 네 변을 반대 방향으로 돌고 원래의 빔 분할기에서 재결합한다. 그 결과 사냐크 간섭계는 1차적으로 광학 부품의 어떤 움직임에도 완전히 둔감하다. 실제로 사냐크 간섭계를 위상 변화 측정에 유용하게 사용하려면 간섭계의 빔을 약간 분리하여 더 이상 완벽하게 공통된 경로를 따르지 않도록 해야 한다. 약간의 빔 분리에도 사냐크 간섭계는 탁월한 대비와 간섭 무늬 안정성을 제공한다. 사냐크 간섭계의 두 가지 기본 토폴로지가 가능하며, 각 경로의 반사 횟수가 짝수인지 홀수인지에 따라 다르다. 그림에 나와 있는 것과 같이 반사 횟수가 홀수인 사냐크 간섭계에서는 반대 방향으로 이동하는 빔의 파면이 광 경로의 대부분에서 서로에 대해 횡방향으로 반전되므로 토폴로지가 엄격하게 공통 경로가 아니다.

사냐크 간섭계의 가장 잘 알려진 용도는 회전에 대한 민감성에 있다. 이 형태의 간섭계에 대한 회전 효과에 대한 최초의 설명은 조르주 사냐크가 1913년에 발표했으며, 그는 "에테르의 소용돌이"를 감지하는 자신의 능력이 상대성 이론을 반박한다고 잘못 믿었다. 현재의 사냐크 간섭계의 민감도는 사냐크의 원래 배열보다 훨씬 뛰어나다. 회전에 대한 민감도는 역회전 빔에 의해 둘러싸인 면적에 비례하며, 사냐크 간섭계의 현재 후손인 광섬유 자이로스코프는 거울 대신 수천 개의 광섬유 루프를 사용하여 작거나 중간 크기의 장치도 지구의 회전을 쉽게 감지할 수 있다. 링 레이저 자이로스코프(그림 없음)는 관성 유도 시스템에서 중요한 응용 분야를 가진 또 다른 형태의 사냐크 회전 센서이다.

사냐크 구성의 간섭계는 탁월한 대비와 간섭 무늬 안정성 덕분에 아인슈타인의 특수 상대성이론 발견으로 이어진 실험과 이론적 및 실험적 도전으로부터 상대성 이론을 방어하는 데 중요한 역할을 했다. 예를 들어, 1887년의 유명한 실험 1년 전, 마이컬슨과 몰리(1886)는 1851년의 피조 실험을 반복했는데, 피조의 설정을 매우 높은 안정성을 가진 짝수 반사 사냐크 간섭계로 대체하여 빛 경로에 불을 붙인 성냥을 놓아도 인위적인 간섭 무늬 변위가 발생하지 않았다. 1935년 구스타프 빌헬름 함마르는 에테르 끌림의 단순한 인위적인 결과로 마이컬슨-몰리 유형 실험의 null 결과를 설명하려는 특수 상대성 이론에 대한 이론적 도전을 홀수 반사 사냐크 간섭계를 사용하여 반박했다. 그는 이 간섭계를 온도 조절 없이 높은 언덕에서 야외에서 작동시킬 수 있었음에도 불구하고 1/10 간섭 무늬 정확도를 달성했다.

 점 회절 

섬네일|300px|그림 2. 영의 실험 – 단일 슬릿 대 이중 슬릿 패턴
렌즈 테스트 및 유체 흐름 진단에 유용한 또 다른 공통 경로 간섭계는 1933년 리니크가 발명한 점 회절 간섭계(PDI)이다. 참조 빔은 반투명 판에 있는 작은 핀홀(대략 에어리 원반 지름의 절반)에서 회절을 통해 생성된다. 그림 1은 핀홀에 초점을 맞춘 수차 있는 파면을 보여준다. 회절된 참조 빔과 투과된 테스트 파동은 간섭하여 간섭 무늬를 형성한다. PDI의 공통 경로 설계는 여러 가지 중요한 장점을 제공한다. (1) 마흐-젠더 또는 마이컬슨 설계에 필요한 두 경로 대신 단일 레이저 경로만 필요하다. 이 장점은 난류 매체를 통과하는 긴 광 경로를 가진 풍동과 같은 대규모 간섭계 설정에서 매우 중요할 수 있다. (2) 공통 경로 설계는 이중 경로 설계보다 광학 부품이 적어 정렬이 훨씬 쉽고, 특히 대규모 설정에서 비용, 크기 및 무게를 줄일 수 있다. (3) 이중 경로 설계의 정확도는 참조 요소의 가공 정밀도에 따라 달라지지만, 신중한 설계는 PDI의 생성된 참조 빔의 정밀도를 보장할 수 있다. 단점은 핀홀을 통과하는 빛의 양이 빛이 핀홀에 얼마나 잘 초점을 맞출 수 있는지에 따라 달라진다는 것이다. 입사 파면이 심하게 수차를 일으키면 빛이 거의 통과하지 못할 수 있다. PDI는 다양한 적응광학 응용 분야에서 사용되어 왔다.

 측면 전단 

측면 전단 간섭계는 파면 감지의 자체 참조 방식이다. 파면을 별도의 경로 참조 파면과 비교하는 대신, 측면 전단 간섭계는 파면을 그 자체의 이동된 버전과 간섭시킨다. 결과적으로 파면 자체의 모양이 아니라 파면의 기울기에 민감하다. 그림에 나와 있는 평행 평판 간섭계는 테스트 빔과 참조 빔의 경로 길이가 다르다. 이 때문에 고도로 단색(레이저) 광과 함께 사용해야 한다. 유령 반사를 최소화하기 위해 일반적으로 양쪽 표면에 코팅 없이 사용된다. 테스트 중인 렌즈에서 나오는 수차 있는 파면은 판의 앞면과 뒷면에서 반사되어 간섭 패턴을 형성한다. 이 기본 설계의 변형은 거울 테스트를 허용한다. 자민, 마이컬슨, 마흐-젠더 및 기타 간섭계 설계를 기반으로 하는 다른 형태의 측면 전단 간섭계는 보상된 경로를 가지며 백색광과 함께 사용될 수 있다. 광학 테스트 외에도 측면 전단 간섭계의 응용 분야에는 박막 분석, 투명 재료의 질량 및 열 확산, 굴절률 및 굴절률 기울기 측정, 콜리메이션 테스트, 적응광학 등이 포함된다. 측면 전단, 하트만, 샤크-하트만, 회전 전단, 접이식 전단, 개구 차폐 간섭법 간섭계를 포함하는 일반적인 프레임워크인 전단 간섭계는 산업적으로 개발된 대부분의 파면 센서에 사용된다.

 프레넬의 복굴절 프리즘 
섬네일|그림 3. 전자 홀로그래피 시스템에 사용된 복굴절 프리즘

현대적 관점에서 볼 때 영의 이중 슬릿 실험의 결과(그림 2 참조)는 빛의 파동성을 명확하게 보여주지만, 1800년대 초반에는 그렇지 않았다. 뉴턴은 오늘날 회절 현상으로 인식되는 것을 관찰하고 자신의 광학 3권에 그것에 대해 썼으며, 자신의 빛의 입자설로 해석했다. 영의 동시대 사람들은 그의 결과가 단순히 슬릿 가장자리에서의 회절 효과를 나타내는 것일 수 있으며, 뉴턴이 이전에 관찰했던 간섭 무늬와 원칙적으로 다르지 않다고 이의를 제기했다. 파동 이론을 지지했던 오귀스탱 프레넬은 가장자리 회절의 결과로 단순히 설명할 수 없는 간섭 효과를 시연하기 위해 일련의 실험을 수행했다. 이 중 가장 주목할 만한 것은 굴절을 통해 두 개의 가상 간섭원을 생성하기 위해 복굴절 프리즘을 사용한 것이었다.

프레넬 복굴절 프리즘의 전자 버전은 물체의 전자 간섭 패턴을 사진으로 기록하는 이미징 기술인 전자 홀로그래피에 사용된다. 홀로그램은 레이저로 조명되어 원본 물체의 크게 확대된 이미지를 생성할 수 있지만, 현재는 홀로그램의 수치적 재구성이 선호된다.M. Lehmann, H. Lichte, Tutorial on off-axis electron holography, Microsc. Microanal. 8(6), 447–466 (2002) 이 기술은 기존 이미징 기술로 가능한 것보다 전자 현미경에서 더 큰 해상도를 가능하게 하기 위해 개발되었다. 기존 전자 현미경의 해상도는 전자 파장에 의해 제한되지 않고 전자 렌즈의 큰 수차에 의해 제한된다.

그림 3은 간섭 전자 현미경의 기본 배열을 보여준다. 전자 복굴절 프리즘은 미세하고 양전하를 띤 전기 필라멘트(그림에 점으로 표시)로 구성되며, 이는 접지 전위에 있는 두 개의 판 전극에 의해 고정된다. 일반적으로 지름 1 μm 이하인 필라멘트는 일반적으로 금 코팅된 석영 섬유이다. 표본을 전자 빔에서 벗어난 위치에 놓음으로써 회절된 표본 파면과 참조 파면이 결합하여 홀로그램을 생성한다.

 영역이 0인 사냐크 
레이저 간섭계 중력파 관측소(LIGO)는 두 개의 4km 마이컬슨-파브리-페로 간섭계로 구성되었으며, 빔 분할기에서 약 100와트의 레이저 출력으로 작동했다. 현재 진행 중인 Advanced LIGO로의 업그레이드는 수 킬로와트의 레이저 출력을 요구할 것이며, 과학자들은 열 왜곡, 레이저의 주파수 변화, 거울 변위 및 열 유도 복굴절 문제에 대처해야 할 것이다.

Advanced LIGO를 넘어선 3세대 향상을 위해 다양한 경쟁 광학 시스템이 탐색되고 있다. 이 경쟁 토폴로지 중 하나는 영역이 0인 사냐크 설계이다. 위에서 언급했듯이 사냐크 간섭계는 1차적으로 광학 부품의 정적 또는 저주파 변위에 둔감하며, 간섭 무늬는 레이저의 미미한 주파수 변화나 복굴절에 영향을 받지 않는다. 영역이 0인 사냐크 간섭계 변형은 3세대 LIGO를 위해 제안되었다. 그림 1은 반대 방향으로 두 개의 루프를 통해 빛을 유도함으로써 어떻게 효과적인 영역이 0이 되는지를 보여준다. 이 사냐크 간섭계 변형은 광학 부품의 회전 또는 저주파 드리프트에 둔감하면서도 천문학적으로 흥미로운 일시적인 사건에 대한 높은 민감도를 유지한다. 그러나 광학 시스템 선택에는 많은 고려 사항이 수반되며, 영역이 0인 사냐크의 특정 영역에서의 우수성에도 불구하고 3세대 LIGO를 위한 광학 시스템에 대한 합의된 선택은 아직 없다.

 산란판 
트위먼-그린 간섭계의 공통 경로 대안은 J.M. Burch가 1953년에 발명한 산란판 간섭계이다. 이중 경로 간섭계인 트위먼-그린 간섭계는 광학 표면 및 렌즈의 정밀도를 테스트하는 데 일반적으로 사용되는 마이컬슨 간섭계의 변형이다. 참조 및 샘플 경로가 발산하므로 이 형태의 간섭계는 진동 및 광 경로의 대기 난류에 극도로 민감하며, 둘 다 광학 측정에 방해가 된다. 광학 표면의 정밀 측정은 보조 광학 장치의 품질에도 극도로 의존한다.

산란판 간섭계는 공통 경로 간섭계이므로 참조 및 테스트 경로가 자동으로 일치하여 백색광에서도 0차 간섭 무늬를 쉽게 얻을 수 있다. 진동 및 난류에 상대적으로 둔감하며, 보조 광학 장치의 품질은 트위먼-그린 설정만큼 중요하지 않다. 그러나 간섭 무늬 대비가 낮고 특징적인 핫스팟이 산란판 간섭계를 다양한 목적에 부적합하게 만들 수 있다. 광학 테스트에 유용한 다양한 다른 공통 경로 간섭계가 설명되어 있다.

그림 1은 구형 거울을 테스트하기 위해 설정된 간섭계를 보여준다. 산란판은 테스트 중인 거울의 곡률 중심 근처에 설정된다. 이 판에는 대칭 반전으로 배열되어 있지만 모양과 분포는 무작위인 작은 불투명 패치 패턴이 있다. (1) 빛의 특정 부분은 산란판을 직접 통과하고 거울에 의해 반사되지만, 두 번째로 산란판을 만날 때 산란된다. 이 직접-산란된 빛은 참조 빔을 형성한다. (2) 빛의 특정 부분은 산란판을 통과할 때 산란되고 거울에 의해 반사되지만, 두 번째로 산란판을 만날 때 산란판을 직접 통과한다. 이 산란-직접 빛은 테스트 빔을 형성하며, 참조 빔과 결합하여 간섭 무늬를 형성한다. (3) 빛의 특정 부분은 산란판을 두 번 모두 직접 통과한다. 이 직접-직접 빛은 작고 바람직하지 않은 핫스팟을 생성한다. (4) 빛의 특정 부분은 산란판과의 두 번의 만남 모두에서 산란된다. 이 산란-산란된 빛은 간섭 패턴의 전체 대비를 낮춘다.

섬네일|그림 4. 바스 간섭계

 바스 간섭계 

바스 간섭계(그림 4)는 망원경 거울을 테스트하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로 빔 분할기, 광학 평면, 짧은 초점 거리의 양면 볼록 발산기 및 반도체 레이저와 같은 광원으로 구성된다.

 다른 구성 
이중 초점 간섭계와 사운더스의 프리즘 간섭계 등 다른 공통 경로 간섭계 구성이 문헌에 설명되어 있다. 공통 경로 간섭계는 광학 코히어런스 단층 촬영, 디지털 홀로그래피, 위상 지연 측정 등 다양한 응용 분야에서 유용하게 사용되어 왔다. 환경 진동에 대한 상대적인 탄력성은 공통적인 뛰어난 특징이며, 참조 빔을 사용할 수 없을 때 사용될 수 있기도 하다. 그러나 토폴로지에 따라 간섭 패턴이 이중 경로 간섭계에서 생성된 패턴보다 해석하기 더 복잡할 수 있다.

 같이 보기 
 이중 경로 간섭계

 각주 

분류:간섭계