광물리학

제2장  광물리학 

   

    제2장에서는 빛의 전파에 대한 물리학의 원리를 설명한다. 이 장은 전자파와 전자파의 스펙트럼, 또한 스펙트럼의 일부로써의 빛의 성질, 진공에서 전자파 및 다른 매질에서 전자파의 속도 등을 논의한다. 속도는 물질의 굴절률과 관계가 있으며 반사, 굴절, 회절에 관한 법칙을 좀 더 자세히 다룬다.

 빛의 성질

 빛

 전자기파로서의 빛 – 파동

 시간과 공간에서 변화하는 전기장(E)과 자기장(H)이 상호 유도하면서 전파

 맥스웰 방정식에 의해 전기장 또는 자기장 어느 한쪽만 알아도 다른 나머지를 알 수 있으므로 단순화해 전기장만 고려하는 경우가 많음

 자유공간에서 전기장의 파동

 

 z=z0로 고정

• 주기 T = 위상이 같은 지점 사이(2)의 시간

• 주파수 f = 단위 시간당 진동수

               = 주기의 역수 = 1/T [Hz]

• 각주파수 = 단위 시간당 위상의 변화

 t=t0로 고정

• 파장 = 위상이 같은 지점 사이의 거리

•    = 단위 거리당 진동수 

• 파수 k = 단위 거리당 위상의 변화  (‘공간 각주파수’)

 파동의 진행속도

• A 지점이 얼마나 빨리 움직이는가를 측정

• 한 파장은 주기 T 동안 진행한 거리. 따라서

 입자로서의 빛 - 광자

 빛은 방출되거나 흡수될 때 광자(photon)라고 부르는 불연속적인 단위로만 발생

 광자 에너지 

 광자 에너지와 파장의 관계

• 원자와 전자의 에너지 상태는 불연속적임: 에너지 준위 다이어그램으로 표현

• 원자의 에너지가 E2에서 E1으로 떨어지면, 에너지 차는 광자 에너지로 방출  

 전자볼트[eV]

• 광자 에너지는 아주 작은 양이므로 주울(Joule) 대신 새로운 단위 전자볼트를 주로 사용

• 전자볼트는 에너지(일)의 단위로 전자 하나가 1볼트(1V)의 전압을 거슬러 올라갈 때 드는 에너지(일)로 정의 

• 빛의 파장은 주로 [nm] 단위이므로 파장을 [nm], 에너지를 [eV]로 계산하면

 광선으로서의 빛 – 빔

 광선

 광선

 스넬의 법칙

• 경계에서 빛의 반사와 굴절은 다음과 같은 스넬의 법칙을 만족

 반사율과 투과율

 내부 전반사

• 굴절되는 빔이 사라지고, 반사되는 빔만 존재

• n1>n2 면 내부 전반사 발생 가능

• 1이 증가하면 어느 순간 2=90가 되고, 1이 더 증가하면 굴절되는 광선은 모두 사라지고 입사된 광선이 모두 반사된다.  내부 전반사

(참고) dB과 dBm

 상용 로그

 상용 로그의 성질

dB의 정의와 활용

 데시벨(dB, decibel)

• 상대적인 양을 측정

 dB로 표현한 전력비

• P1은 입력전력, P2는 출력전력, G 는 이득(gain)이라 부름

 손실 

• P2 < P1일 때 전력의 손실을 나타낸다. 즉 P2 < P1 이면 손실 L[dB] > 0 이다.

dB의 정의와 활용

 소자 또는 서브시스템(subsystem)들이 직렬 연결된 경우

 dB로 표현하면 전체 이득은 개별 소자의 이득을 더하면 된다.

dB의 정의와 활용

dBm의 정의와 활용

 dBm

• 1mW를 기준으로 전력을 데시벨로 표현

 dBm으로 표현한 전력

• X는 P1을 dBm으로 표현한 양

• 즉 1mW = 0dBm, 1000mW = 30dBm 

 예제 2-C

    어떤 광증폭기의 입력 신호 전력(P1)이 -20dBm이고 출력 신호의 전력(P2)은 +3dBm이었다. 이 광증폭기의 이득은 몇 dB인가? 그리고 광신호는 몇 배 증폭되었나?

  풀이)