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실험마이켈슨 / 패브리-페롯 간섭계 실험장치

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상본 심

on 19 June 2014

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Transcript of 실험마이켈슨 / 패브리-페롯 간섭계 실험장치

5.각도조정 거울을 스크린과 광속분할기를 연결하는 직선상에 고정한다.
스크린을 보면서, 각도조정 거울의 기울기를 조절하여 광속분할기를 통과한 광이 이동거울을 경유한 광과 겹치도록 정렬한다.
*주의 : 광속분할기에서 이동거울까지의 거리와 각도조정거울까지의 거리가 너무 차이가 나면 간섭무늬가 얻어지지 않으므로, 거리의 차이를 20mm 이내로 유지한다.
6.확산렌즈를 레이저 앞에 놓는다. 스크린 상에 간섭무늬가 나타나는 것을 확인하고, 각도조정 거울을 미세 조정하여 무늬가 가장 잘 보이도록 미세 정렬한다.
7. 정렬을 완료한후 레이저 빛(빨,초록)을 쏘아본다.
*주의 :확산 렌즈의 높이가 맞지 않으면, 간섭무늬가 아래나 위쪽으로 너무 치우치게 된다.
실험마이켈슨 / 패브리-페롯 간섭계 실험

-김원석, 권영섭, 심상본, 장홍규-

실험장치
실험 과정(2)
(1) 정렬
1. 광차단 시설이 설치되어 있고 진동이 없는 수평한 장소에 광학대를 살며시 올려놓는다.
2. 간섭계 광학대에 반도체레이저와 마이크로이송대의 이동거울을 적당한 거리(대략200mm이상)를 떨어뜨려 직선상에 놓이도록 고정한다.
3. 레이저를 켜고 이동거울에서 반사한 광이 레이저의 출구 근처로 되돌아 가도록 정렬한다. 거울에서 반사한 광이 레이저 속으로 들어가면, 레이저 출력에 영향을 미치므로 들어가지 않도록 주의한다.
4. 광속분할기를 레이저와 이동거울 중간쯤에 설치하고, 스크린을 레이저 광속과 수직되는 위치에 고정한다. 광속분할기를 45도로 정렬하고, 이동거울을 경유한 광이 광속분할기에서 반사하여 스크린의 중앙에 오도록 광속분할기의 정렬한다.
광속분할기의 반사면이 스크린의 반대방향을 향하도록 설치한다.
마이켈슨 간섭계의 원리
마이켈슨간섭계는 진폭분할을 기초로한 간섭계로 가장 널리 알여진 간섭계이다.실험 과정처럼 세팅후 빛을 쏴주면 위 그림과 같이 마이켈슨간섭계에 입사한 광은 광속분할기에서 반사한 광은 각도조정거울쪽으로 향하고 투과한 광은 이동거울로 향한다. 각도조정거울에서 반사되어 광속분할기로 돌아온 광속은 또 둘로 분할되어 반사된 광은 레이저로 향하고 투과된 광은 스크린에 도달한다. 그리고, 이동거울에서 반사되어 광속분할기로 돌아온 광속은 둘로 분할되어 반사한 광을 스크린에 도달하고 경로상의 위상차 때문에 레이저 쪽과 스크린상에 간섭무늬를 만든다.
마이켈슨 간섭계의 원리와 실험
간섭을 일으키는 두 광파의 초기 위상에는 차이가 없지만, 광속분할기의 반사면이 각도조정거울을 향하고 있다면, 각도조정거울을 경유한 빛은 광속분할기와 각도조정거울에서 외면반사만 두 번하고, 이동거울을 경유하는 빛은 이동거울에서 한번 외면반사하고 광속분할기에서 한번 내면 반사를하여 스크린에 도달하므로, 간섭하는 두 광 사이에 원초적으로 만큼의 위상차가 존재한다. 따라서 두 광파 사잉의 경로차가 반파장의 짝수배인 위치는 어둡게 되고, 광경로차가 반파장의 홀수배인 점은 밝게 된다.
각도조정거울과 이동거울이 나란하면, 스크린에 동심원의 밝고 어두운 무늬가 나타나고, 상대적으로 조금 기울어져 있다면 간섭무늬는 곡선이고 약간 조밀하며, 두 거울이 상대적으로 많이 기울어져 있다면 간섭무늬는 거의 직선에 가깝고, 무늬 간격도 매우 조밀하다. 각도조정거울과 이동거울이 상호 나란할 때, 각도조정거울과 이동거울 사이의 거리차가 d이면 중심무늬의 광경로차는 2d가 된다. 따라서 이동거울을 반 파장만큼 이동시키면, 중심에 있는 동심원무늬가 이동하여 하나 사라지거나 무늬가 하나 생성된다. 따라서 마이켈슨 간섭계에서 이동거울을 d만큼 이동시킬 때 사라지거나 생성된 무늬의 수가 m이라면 다음관계식이 성립된다. 아래의 식이 마이켈슨간섭계의 기본식이 된다. 여기서 는 광원의 파장이다.
위 실험에서 다른 색의 광의 파장길이가 빨간색 > 초록 이므로 빨간색이 경초차가 더 큰값이 나타나게 됩니다.
실험사진
실험 목적
마이켈슨 간섭계의 원리를 이해
하고 이를 통해
미지광원의 파장을 구하는 방법을 알아보고, 공기의 굴절률을 측정하며, 광학 부품을 간단하게 검사하는 방법
을 알아보는 것이다.
실험 과정(1)
(+)광파를 얻는 방법
간섭조건을 만족하는 여러개의 광파를 얻는 방법은 크게 둘로 분류된다.
- 파면분할법의 경우 단색이고 초기위상이 일정한 간섭성 단일 광원의 파면을 여러조각으로 분리한후 다시 중첩시켜 간섭무늬를 얻는다.
- 진폭분할법의 경우 간섭성 단일 광원의 진폭을 여러 크기로 분리한 후 다시 중첩시켜 간섭무늬를 얻는다.
+ 프레넬 이중프리즘 간섭, 이중거울 간섭, 단일거울 간섭 등등은 파면분할에 의한 간섭이고, 뉴톤고리 간섭, 공기쐐기 간섭, 얇은 막의 간섭 등등은 진폭분할에 의한 간섭으로 나누어 광파를 얻는다.
마이켈슨 간섭계의 원리와 실험결과
실험할 때 오차가 생기는 원인으로 크게
1.광학부품들의 표면에 먼지나 이 물질이 묻었을때
2.광학대 또는 스크린의 표면이 긁혀있을떄
3.광학부품들을 사용한 후 반드시 부드러운 헝겊 또는 클리닝 티슈에 알코올을 떨어뜨려 깨끗하게 세척을 안했을 경우
4. X,Y,Z축 수평이 정확하지 않을때
5. 여러 파동을 중첩되는 파동들 조건을 만족시키지 못했을때의 경우가 있었다.
또한 중첩되는 파동 조건으로
(1)파동들의 진동수와 파장이 같아야 한다.
(2)파동들의 위상관계가 일정할 때
(3)파동들의 편광면이 상호 수직이 아니어야 할때
따라서 위와 같은 이유들로 인해 아무리 이론처럼 간섭무늬가 나오기 힘들었고 시간이 많이 걸린 것으로 추측된다.
결론적으로 이번 실험을 통하여 마이켈슨 간섭계의 원리를 이해하고 이를 통해 , 광학 부품을 간단하게 사용하는 방법을 알게 되었으며 파장의 길이에 따른 경조차 값이 다르다는 것을 깨닫게 되었다.
앨버트 에이브러햄 마이켈슨(Albert Abraham Michelson, 1852년 12월 9일 - 1931년 5월 9일)은 폴란드계 미국인 물리학자이다. 빛의 속도와 에테르에 관한 업적을 남겼다. 폴란드에서 유대인 집안에서 태어나 2세 되던 해 부모와 함께 미국으로 이주해 온다. 1869년 애너폴리스의 해군 사관학교(United States Naval Academy)에 입학하여, 1873년 졸업하여 해군으로 복무하며, 해병학교의 물리학 강사가 된다. 그 이후 유럽에서 2년간 공부하여 광속측정에 관심을 갖게 된다. 1881년 해군을 그만두고 유럽에서 유학하였다. 클리블랜드 대학 물리학 교수를 거쳐, 시카고 대학 교수를 지냈다. 마이켈슨은 광속에 대한 연구를 시작하여 1881년 마이켈슨 간섭계를 발명해내어, 그것으로 지구상의 공전 궤도에 따르는 방향과 빛의 속도가 거의 같음을 실제로 측정하였다. 에드워드 몰리와 함께 당시 빛의 매질로 가정되었던 에테르를 검출하기 위해 공전운동하고 있는 지구와 에테르의 상대운동에 따른 광파의 간섭을 검출하는 실험을 반복한다. (마이켈슨-몰리 실험) 그러나 빛이 에테르같은 매질을 통해 전달되는 파동이었다면 검출되었어야 할 간섭현상은 검출되지 않는 결과로 끝맺게 된다. 그러나 이 결과는 어떠한 방향으로든 움직이는 물체에서 관측한 광속도는 언제나 일정하다는 광속 불변의 법칙의 발견으로 이어져, 후에 알베르트 아인슈타인의 특수상대성이론의 기반이 된다. 그러한 이유로 교과서의 특수상대성이론 설명에 언제나 제일 먼저 등장하는 것이 마이켈슨과 몰리의 실험이다. 또한 마이켈슨은 정확한 광속도를 구하는 실험을 반복하여 그가 얻어낸 초속 18만 6,153마일이라는 숫자는 당시 최고의 정밀도를 자랑했다.
1907년 마이켈슨은 광학에 대한 연구업적으로 노벨 물리학상을 수상한다. 이는 미국인이 과학부분에서 노벨상을 수상한 첫 번째 사례였다.
노벨 물리학상 (1907), Rumford Prize (1888), Matteucci Medal (1903), Copley Medal (1907), Gold Medal of the Royal Astronomical Society (1923), 왕립 학회, United States National Academy of Sciences
(+)마이켈슨
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