편광
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1. 개요
편광은 전자기파의 전기장 진동 방향이 특정 방향을 갖는 현상을 의미하며, 빛의 파동적 성질을 설명하는 중요한 개념이다. 편광은 전기장의 진동 방향에 따라 직선 편광, 원 편광, 타원 편광으로 분류되며, 다양한 광학 소자 및 기술에 활용된다. 편광은 자연광의 산란, 반사, 복굴절 등의 현상으로 나타나며, 사진, 3D 영화, 디스플레이, 통신 등 다양한 분야에서 응용된다. 또한, 동물의 시각, 광학 활성 물질의 분석, 전파 통신 등 다양한 분야에서 활용되며, 푸앵카레 구와 같은 표현 방식을 통해 편광 상태를 표현하고 분석할 수 있다.
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| 편광 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 파동이 가질 수 있는 진동 방향의 특성 |
| 관련 파동 | 횡파 전자기파 |
| 설명 | 횡파의 진동 방향이 특정 방향으로 제한되거나 특정 패턴을 갖는 현상 |
| 활용 | 광학 통신 재료 과학 분광학 |
| 파동의 종류와 편광 | |
| 횡파 | 진동 방향이 파동 진행 방향에 수직 편광 현상 가능 |
| 종파 | 진동 방향이 파동 진행 방향과 평행 편광 현상 불가능 |
| 편광의 종류 | |
| 선형 편광 | 진동 방향이 일정한 직선인 편광 수직 편광, 수평 편광 |
| 원형 편광 | 진동 방향이 원을 그리며 회전하는 편광 좌원 편광, 우원 편광 |
| 타원 편광 | 진동 방향이 타원을 그리며 회전하는 편광 원형 편광과 선형 편광의 중간 형태 |
| 편광의 생성 방법 | |
| 반사 | 특정 각도로 반사될 때 편광 발생 브루스터 각 |
| 흡수 | 특정 방향의 편광 성분만 통과시키는 물질 이용 편광판 |
| 복굴절 | 복굴절 물질을 통과하면서 편광 분리 프리즘 |
| 산란 | 공기 중 입자에 의해 빛이 산란될 때 편광 발생 하늘이 파랗게 보이는 이유 |
| 편광의 응용 | |
| 사진 | 편광 필터: 반사광 감소, 색상 선명도 향상 |
| 액정 디스플레이 (LCD) | 액정 분자의 정렬을 제어하여 빛 투과량 조절 |
| 3D 안경 | 좌우 시차를 이용한 3D 영상 구현 |
| 통신 | 전파의 편광을 이용하여 통신 품질 향상 |
| 분광학 | 물질의 편광 특성을 분석하여 성질 파악 |
| 재료 과학 | 물질의 구조와 결정을 분석하는데 사용 |
| 기타 | |
| 광자 스핀 | 빛의 편광은 광자의 스핀과 관련 스핀 각운동량 |
2. 편광 이론
자유공간이나 균일한 매질을 진행하는 전자기파는 진행 방향에 수직인 전기장과 자기장 벡터를 가지며, 이 벡터들은 서로 수직이다. 일반적으로 전기장 벡터를 기준으로 편광 상태를 설명한다. 자기장 벡터는 x축과 y축의 두 수직 성분으로 구성된 임의의 벡터로 생각할 수 있으며 (z축은 파의 진행 방향), 진폭은 코사인 곡선 형태로 변화한다. 전자기파의 진행 방향을 마주 보았을 때, 자기장 벡터의 진동 형태에 따라 직선 편광, 원 편광, 타원 편광으로 분류한다.[43]
대부분의 광원은 서로 다른 공간적 특성, 주파수(파장), 위상 및 편광 상태를 가진 파들의 무작위 혼합으로 구성되기 때문에 비결합적이고 비편광(또는 부분적으로 편광된) 것으로 분류된다. 그러나 전자기파와 특히 편광을 이해하기 위해서는 결맞는 평면파를 고려하는 것이 더 쉽다.
편광은 단일 광학 주파수에서 하나의 간섭성 정현파만을 가진 순수 편광 상태로 정의할 수 있다. 아래의 처음 두 그림은 두 가지 서로 다른 방향의 선형 편광에 대해 전기장 벡터가 한 주기를 거치는 과정을 추적한 것이고, 세 번째 그림은 타원 편광, 네 번째와 다섯 번째 그림은 원 편광을 나타낸다.
직선 편광광을 선형 편광에 대해 45°로 배향된 1/4파장판을 통과시켜 필요한 위상차를 가진 동일한 진폭의 두 성분을 생성하여 원 편광을 만들 수 있다.
직교하는 편광 상태의 쌍을 기저 함수로 사용할 수 있으며, 선형 편광만 사용해야 하는 것은 아니다. 예를 들어, 오른쪽 및 왼쪽 원형 편광을 기저 함수로 선택하면 원형 복굴절(광학 활성) 또는 원형 이색성과 관련된 문제 해결이 단순화된다.
빛은 전자기파이며, 빛이 발생시키는 전자기장은 진행 방향과 수직으로 진동하는 횡파이다. 횡파의 자유도는 2이므로, 빛이 발생시키는 전자기장은 면 내를 진동하는 벡터파가 된다.
2. 1. 직선 편광 (Linear Polarization)
벡터를 이용해 편광상태를 설명하는데, 전자기파를 이루는 전기장과 자기장의 벡터는 서로 수직하고, 그 크기가 서로 비례하기 때문에, 전기장의 벡터만을 설명하고 자기장 벡터는 흔히 생략한다. 이때 자기장을 x축과 y축의 두 수직한 성분으로 구성된 임의의 벡터로 생각할 수 있다.(z축은 파의 진행방향으로 가정한다.)[43]직선편광(linear polarisation)은 자기장 벡터가 입사평면 내에서 특정한 방향의 반직선을 그리는 경우이다. 이 반직선의 방향은 두 성분의 벡터합에 따라 결정된다. 즉, 진폭인 E0, H0가 일정한 실제 벡터(constant real vector)를 갖는다면, 직선편광이라고 한다.
전기장(및 자기장)의 진동 방향이 일정하다. 역사적으로, 원래 직선 편광의 방향은 자기장의 방향을 가리켰다. 빛의 정체가 전자기장임이 밝혀진 이후로는 전기장의 방향을 직선 편광의 방향이라고 하는 경우도 많아졌다. 직선 편광의 방향이라는 것은 애매한 용어이므로 사용하지 않고, 예를 들어 전기장의 진동 방향이라는 표현으로 특정하는 것이 권장되고 있다.
2. 2. 원 편광 (Circular Polarization)
자기장 벡터가 입사 평면에서 두 성분의 벡터 합이 원형으로 계속 변화하는 경우이다. 두 성분의 진폭이 정확히 같고 위상차가 90˚일 경우이다. 이때 y 성분의 위상이 x 성분보다 90˚ 앞설 경우 편광 상태는 시계 방향으로 회전하고 이것을 '''좌원 편광'''이라고 하며, 반대로 x 성분의 위상이 y 성분보다 90˚ 앞설 경우 편광 상태는 반시계 방향으로 회전하며 이를 '''우원 편광'''이라고 한다.[44]
전기장(및 자기장)의 진동이 전파됨에 따라 원을 그리며 회전 방향에 따라 우원 편광과 좌원 편광이 있다. 각운동량을 가진다.
2. 3. 타원 편광 (Elliptical Polarization)
자유공간이나 무한한 길이의 균일한 매질을 진행하는 전자기파는 진행 방향에 서로 수직하는 전기장과 자기장을 갖는다. 일반적으로 벡터를 이용해 편광 상태를 설명하는데, 전자기파를 이루는 전기장과 자기장의 벡터는 서로 수직하고, 그 크기가 서로 비례하기 때문에, 전기장의 벡터만을 설명하고 자기장 벡터는 흔히 생략한다. 이때, 자기장을 x축과 y축의 두 수직한 성분으로 구성된 임의의 벡터로 생각할 수 있다.(z축은 파의 진행 방향으로 가정한다.)[43]; 타원 편광(elliptical polarisation): 직선 편광과 원 편광이 아닌 다른 모든 경우. 즉 합성된 자기장 벡터가 회전하면서 크기도 변하는 경우 편광 상태는 타원을 그리게 되는데 이것을 타원 편광이라고 한다. 사실 직선 편광이나 원 편광은 타원 편광의 특수한 형태라 할 수 있으며, 타원 편광이 편광 현상의 가장 일반적인 형태이다.
수평 및 수직 편광 성분 사이에 위상차를 도입하면 일반적으로 타원 편광이 생성된다.[12] 선형 편광광을 선형 편광에 대해 45°로 배향된 1/4파장판을 통과시켜 필요한 위상차를 가진 동일한 진폭의 두 성분을 생성하여 원형 편광을 만들 수 있다. 원래 성분과 위상이 이동된 성분의 중첩은 회전하는 전기장 벡터를 생성한다. 원형 또는 타원 편광에는 성분의 상대 위상에 따라 시계 방향 또는 시계 반대 방향 회전이 포함될 수 있다.
완전 편광된 단색파의 경우, 한 주기의 진동 동안 전기장 벡터는 타원을 그리며 움직인다. 따라서 편광 상태는 타원의 기하학적 매개변수와 "방향성", 즉 타원 주위의 회전이 시계 방향인지 반시계 방향인지에 따라 설명될 수 있다. 타원형 도형의 매개변수화 중 하나는 타원의 장축과 x축 사이의 각도로 정의되는 '''방위각'''을 지정하는 것이다.[13] 그리고 '''이심률'''은 타원의 장축과 단축의 비율이다.[14][15][16] (장단축비라고도 함). 이심률 매개변수는 타원의 이심률 또는 '''이심률 각도''' 의 대안적인 매개변수화이다.
직선 편광과 원 편광의 일차 결합으로 표현되는, 가장 일반적인 편광 상태이다. 전기장(및 자기장)의 진동이 시간에 따라 타원을 그린다. 원 편광과 마찬가지로, 우타원 편광과 좌타원 편광이 있다. 위상이 어긋난 두 개의 직선 편광의 합으로 간주하거나, 반대로 UHF 등 적당한 파장의 전파는 설치 각도가 다른 인접한 두 개의 안테나에서 위상이 어긋난 두 종류의 편파를 동시에 송신하는 등으로 (타)원 편광을 합성할 수도 있다. 타원 편광을 수직인 두 종류의 편광으로 분해했을 때, 그 두 종류의 빛의 세기가 같은 것은 원 편광이다.
3. 편광의 종류
빛은 전자기파이며, 빛이 발생시키는 전자기장은 진행 방향과 수직으로 진동하는 횡파이다. 횡파의 자유도는 2이므로, 빛이 발생시키는 전자기장은 면내를 진동하는 벡터파가 된다. 이것은 맥스웰 방정식을 풀어서 얻을 수 있다.
편광에는 다음과 같은 종류가 있다.
- 직선 편광: 전기장(및 자기장)의 진동 방향이 일정한 편광이다.
- 원 편광: 전기장(및 자기장)의 진동이 전파됨에 따라 원을 그리는 편광이다. 회전 방향에 따라 우원 편광과 좌원 편광으로 나뉜다.
- 타원 편광: 직선 편광과 원 편광이 아닌 다른 모든 경우를 말한다. 합성된 자기장 벡터가 회전하면서 크기도 변하는 경우 편광 상태는 타원을 그리게 된다.[43]
3. 1. 직선 편광
자유공간이나 무한한 길이의 균일한 매질을 진행하는 전자기파는 진행 방향에 서로 수직하는 전기장과 자기장을 갖는다. 일반적으로 벡터를 이용해 편광 상태를 설명하는데, 전자기파를 이루는 전기장과 자기장의 벡터는 서로 수직하고, 그 크기가 서로 비례하기 때문에, 전기장의 벡터만을 설명하고 자기장 벡터는 흔히 생략한다.이때 자기장을 x축과 y축의 두 수직한 성분으로 구성된 임의의 벡터로 생각할 수 있다.(z축은 파의 진행방향으로 가정한다.) 자기장 벡터의 진폭은 코사인 곡선의 형태로 변화하며, 대부분의 전자기파에서 진동수와 진폭은 끊임없이 변화하는데 전자기파의 진행 방향을 마주보았을 때[43] 그 벡터의 진동이 항상 특정한 방향을 갖는 것은 아니며, 다음과 같은 세 종류로 나눌 수 있다.
직선 편광(linear polarisation)은 자기장 벡터가 입사평면 내에서 특정한 방향의 반직선을 그리는 경우이다. 이 반직선의 방향은 두 성분의 벡터합에 따라 결정된다. 즉, 진폭인 E0, H0가 일정한 실제 벡터(constant real vector)를 갖는다면, 직선 편광이라고 한다.
전기장(및 자기장)의 진동 방향이 일정하다. 역사적 경위로, 원래 직선 편광의 방향은 자기장의 방향을 가리켰다. 빛의 정체가 전자기장임이 밝혀진 이후로는 전기장의 방향을 직선 편광의 방향이라고 하는 경우도 많아졌다. 직선 편광의 방향이라는 것은 애매한 용어이므로 사용하지 않고, 예를 들어 전기장의 진동 방향이라는 표현으로 특정하는 것이 권장되고 있다.
3. 2. 원 편광
자기장 벡터가 입사평면에서 두 성분의 벡터합이 원형으로 계속 변화하는 경우이다. 두 성분의 진폭이 정확히 같고 위상차가 90˚일 경우이다. 이때 y성분의 위상이 x성분보다 90˚ 앞설 경우 편광상태는 시계방향으로 회전하고 이것을 '''좌원편광'''(left-circular polarization)이라고 하며, 반대로 x성분의 위상이 y성분보다 90˚앞설 경우 편광상태는 반시계방향으로 회전하며 이를 '''우원편광'''(right-circular polarization)이라고 한다.[44]
전기장(및 자기장)의 진동이 전파됨에 따라 원을 그리는 현상이다. 회전 방향에 따라 우원 편광과 좌원 편광으로 나뉜다. 또한 빛은 원편광(또는 부분적으로 원편광)인 경우 특정 각운동량을 가지기도 한다.
3. 3. 타원 편광
직선 편광과 원 편광이 아닌 다른 모든 경우, 즉 합성된 자기장 벡터가 회전하면서 크기도 변하는 경우 편광 상태는 타원을 그리게 되는데 이것을 타원 편광이라고 한다.[43] 사실 직선 편광이나 원 편광은 타원 편광의 특수한 형태라 할 수 있으며, 타원 편광이 편광 현상의 가장 일반적인 형태이다.타원 편광은 위상이 어긋난 두 개의 직선 편광의 합으로 간주할 수 있다. 원 편광과 마찬가지로, 우타원 편광과 좌타원 편광이 있다.
UHF 등 적당한 파장의 전파는 설치 각도가 다른 인접한 두 개의 안테나에서 위상이 어긋난 두 종류의 편파를 동시에 송신하는 등으로 (타)원 편광을 합성할 수도 있다. 타원 편광을 수직인 두 종류의 편광으로 분해했을 때, 그 두 종류의 빛의 세기가 같은 것은 원 편광이다.
4. 편광을 만들어내는 광학 소자
편광을 만들어내는 광학 소자에는 편광자와 파장판이 있다. 편광자는 자연광이나 원편광에서 선형 편광을 만들어내는 광학 소자이고, 파장판은 직교하는 편광 성분 사이에 위상차를 발생시키는 복굴절 소자이다.
편광도(Degree of Polarization, DOP)는 전자기파가 편광된 정도를 나타내는 양이다. 완벽하게 편광된 파동은 편광도가 100%이고, 비편광된 파동은 0%이다. 부분적으로 편광된 파동은 0%에서 100% 사이의 값을 가진다. 편광도는 파동의 편광 성분이 전달하는 총 전력의 비율로 계산된다. 광발광의 편광도는 주어진 재료의 광탄성 텐서를 통해 재료의 변형과 관련이 있어, 재료의 변형장을 매핑하는 데 사용될 수 있다.
4. 1. 편광자 (Polarizer)
'''왼쪽''': 편광되지 않은 자연광.'''가운데''': 편광자가 전기장의 수평 방향 성분을 흡수한다.
'''오른쪽''': 수직 방향 성분만을 가진 선형 편광이 얻어진다.]]
자연광(비편광)이나 원편광에서 선형 편광을 만들어내는 광학 소자를 '''편광자'''라고 부른다.
편광자는 크게 흡수형, 결정형, 반사형으로 나눌 수 있다.
- 흡수형 편광자: 특정 방향의 전기장을 흡수하고, 그에 수직인 방향의 전기장을 투과시켜 선형 편광을 만든다. 전기석(투르말린) 등의 광물이 대표적이다. 인공적으로는 폴라로이드 사에서 생산하는 폴리머 필름 편광자가 있으며, 저렴하다는 장점이 있다. 셀로판테이프처럼 한 방향으로 늘려서 만든 고분자도 편광 특성을 갖는다.
- 결정형 편광자: 방해석 등 복굴절성 결정을 이용한다. 오랜 역사를 지녔지만, 가격이 비싸다.
- 반사형 편광자: 반사면에 비스듬히 입사한 빛이 부분적으로 편광되는 현상을 이용한다. 여러 단계의 반사를 통해 선형 편광을 얻는다. 이러한 반사광의 편광 현상은 프레넬의 식으로 설명된다.
4. 2. 파장판 (Waveplate)
직교하는 편광 성분 사이에 위상차를 발생시키는 복굴절 소자이다. 위상판이라고도 한다. 위상차 π(180도)를 발생시키는 것을 '''λ/2판'''(이분의람다판) 또는 '''반파장판'''이라고 하며, 직선 편광의 편광 방향을 바꾸는 데 사용한다. 위상차 π/2(90도)를 발생시키는 것을 '''λ/4판'''(사분의람다판) 또는 '''사분의일파장판'''이라고 하며, 직선 편광을 원편광(타원 편광)으로 변환하고, 또 반대로 원편광(타원 편광)을 직선 편광으로 변환하는 데 사용한다. 이들은 빛을 흡수하지 않고 위상만을 바꾼다.; 플라스틱 필름
: 폴라로이드사 등에서 플라스틱의 얇은 판을 이용한 파장판을 시판하고 있다. 저렴하며, 파장 특성도 가시광선 전 영역에서 거의 일정하게 되도록 만들어져 있다.
; 결정
: 수정이나 운모 등의 결정을 이용하여 위상을 바꾸는 소자. 소자의 두께에 따라 특성이 결정되며, 사용하는 빛의 파장에 따라 특성이 다르기 때문에 대표적인 레이저 파장에 대해 전용 소자가 시판되고 있다.
; 반사식
: 마름모꼴 프리즘 내의 전반사를 이용한 광학 소자 프레넬 롬과 같은 파장판도 존재한다. 파장 특성은 플라스틱 필름보다 우수하지만 고가이다.
5. 물성으로서의 편광
선광성은 특정 물질에 편광된 빛을 통과시킬 때, 투과된 빛의 편광면이 회전하는 성질이다. 이러한 선광성을 가진 화합물을 광학 활성이라고 부른다.[30][23] 광회전도는 편광면이 회전하는 정도를 나타내며, 단위는 각도(°)를 사용한다. 빛이 통과하는 거리와 광학 활성 물질의 농도에 비례한다. 비선광도는 광회전도를 빛이 지나간 거리와 농도로 나누어 표준화한 값이다. 온도, 용매, 빛의 파장이 같으면 물질마다 고유한 값을 가지므로, 천연물과 같은 화합물을 확인하는 데 사용된다.[30][23]
6. 편광의 공학적 응용
편광은 다양한 공학 분야에 응용된다. 전자기파가 물질과 상호 작용할 때, 물질의 굴절률에 따라 전파가 변하며, 굴절률의 실수 또는 허수 부분이 파의 편광 상태에 따라 달라지는 경우 복굴절 및 편광 이색성 현상이 나타난다. 이러한 현상을 이용하여 빛의 편광 상태를 제어할 수 있다.
복굴절 물질에서는 서로 다른 편광을 가진 전자기파가 다른 속도로 진행한다. 이로 인해 편광되지 않은 파가 복굴절 물질을 통과할 때, 편광 성분 간 위상차가 발생하며, 이 위상차는 파가 물질을 통과하는 거리가 길어질수록 커진다. 이러한 복굴절의 특성은 광학 파장판 등에 활용된다.
선형 복굴절의 경우, 들어오는 파가 45° 각도로 선형 편광되면 편광은 타원형이 되고, 순수한 원형 편광(90° 위상차), 원래 편광에 수직인 순수한 선형 편광(180° 위상), 다시 원형(270° 위상)을 거쳐 원래의 선형 편광 상태(360° 위상)로 돌아가는 순환을 반복한다.
원형 복굴절은 키랄 유체에서는 광학 활성, 자기장이 전파 방향으로 존재할 때는 파라데이 회전이라고도 불린다.
하위 섹션에서 편광 필터, 자기 광학 효과, 3D 영화 기술, 특수 목적(교도소 창문), 전파 통신 응용 등에 대한 내용을 다루고 있으므로, 여기서는 복굴절 현상에 대한 간략한 설명만 제시한다.
6. 1. 편광 필터 응용
편광 필터는 특정 방향으로 진동하는 전자기장의 통과를 제한하는 광학 소자이다. 이를 활용한 다양한 응용 사례는 다음과 같다.
- 카메라 렌즈 필터: 반사광은 편광되어 있으므로, 카메라에 편광 필터를 장착하고 필터의 방향을 조절하면, 수면 등의 반사광을 제거하여 수중 촬영 등에서 수면의 영향을 받지 않고 촬영할 수 있다.[7]
- 액정 디스플레이 (LCD): 액정 디스플레이 표면과 이면에는 특정 직선 편광만 통과시키는 편광 필터가 부착되어 있으며, 액정에 의해 각 화소마다 선광성이나 복굴절성을 제어함으로써 영상을 표시한다.[7]
- 광자기 디스크: 광자기 디스크에는 자기적으로 편광면이 회전하는 성질(자기광학 커 효과)을 가진 물질이 포함되어 있으며, 레이저 광을 조사하여 반사해 온 빛의 편광면을 검출하여 데이터를 읽는다.[7]
- 입체 영화: 입체 영화 기법으로도 사용된다. 좌우 영상에 각각 수직 및 수평 편광을 걸어서 겹쳐서 상영하고, 관객은 편광 필터가 부착된 안경을 착용함으로써 좌우 영상을 분리하여 인지할 수 있기 때문에 입체 영상을 감상할 수 있다. 비교적 저렴한 비용으로 컬러 영상을 상영할 수 있다는 장점이 있지만, 비평면 스크린에서는 편광이 어긋나기 때문에 상영할 수 없다. 또한 직선 편광에서는 얼굴이나 안경이 기울어지면 정상적으로 입체 시야를 볼 수 없는 경우가 있어 최근에는 원편광을 사용하는 방식이 많다.[7]
- 교도소 창문: 교도소 문 창문에는 편광판이 부착된 것이 있다. 통로 양측에 있는 방 창문의 편광을 한쪽은 수직, 한쪽은 수평으로 편광시킴으로써 간수는 양측 방 내부를 볼 수 있지만, 마주 보는 방의 죄수끼리는 서로를 볼 수 없도록 할 수 있다.[7]
- 텔레비전 방송: 텔레비전 방송에서 지상파의 경우, 편파면이 직교하는 직선 편파는 특히 단거리에서는 혼신·간섭하지 않는다는 성질을 이용하여, 복수의 송신소에서의 혼신을 억제하는 방법 중 하나로 수직 편광과 수평 편광을 구분하여 사용하고 있지만, 장거리 수신을 상정한 대출력 송신소는 수평 편파가 되고 있다.[7]
- 위성 방송: 위성 방송에서는 예전부터 일부 유료 방송에서 수직 편광과 수평 편광으로 다른 방송국의 채널을 할당하고 있었지만, 방송 위성에서도 4K·8K 방송 개시 이후에는 우선광과 좌선광의 두 종류의 원편광에서는 혼신이 일어나지 않기 때문에 다른 채널을 할당하고 있다. 한편, 라디오의 AM 방송은 파장이 길기 때문에 안테나 설치에 필요한 토지 면적의 제약으로부터 수직 편광이 사용된다.[7]
6. 2. 자기 광학 효과 응용
광자기 디스크는 자기적으로 편광면이 회전하는 성질(자기광학 커 효과)을 가진 물질을 포함하고 있으며, 레이저 광을 조사하여 반사해 온 빛의 편광면을 검출하여 데이터를 읽는다.6. 3. 3D 영화 기술
입체 영화 기법으로 좌우 영상에 각각 수직 및 수평 편광을 걸어 겹쳐서 상영하고, 관객은 편광 필터가 부착된 안경을 착용하여 좌우 영상을 분리해 인지함으로써 입체 영상을 감상할 수 있다.[1] 이는 비교적 저렴한 비용으로 컬러 영상을 상영할 수 있다는 장점이 있지만, 비평면 스크린에서는 편광이 어긋나 상영할 수 없다.[1] 또한 직선 편광은 얼굴이나 안경이 기울어지면 정상적으로 입체 시야를 볼 수 없는 경우가 있어, 최근에는 원편광을 사용하는 방식이 많이 사용된다.[1]6. 4. 특수 목적 응용
교도소 문 창에는 편광판이 부착되어 있다. 이는 통로 양측에 있는 방 창문의 편광을 한쪽은 수직, 다른 한쪽은 수평으로 편광시켜 간수는 양측 방 내부를 볼 수 있지만, 마주 보는 방의 죄수끼리는 서로를 볼 수 없도록 한다.6. 5. 전파 통신 응용
텔레비전 방송에서는 지상파의 경우, 편파면이 직교하는 직선 편파는 특히 단거리에서 혼신·간섭하지 않는다는 성질을 이용하여, 복수의 송신소에서의 혼신을 억제하는 방법 중 하나로 수직 편광과 수평 편광을 구분하여 사용하고 있다. 하지만 장거리 수신을 상정한 대출력 송신소는 수평 편파를 사용한다.[29]위성 방송에서는 이전부터 일부 유료 방송에서 수직 편광과 수평 편광으로 다른 방송국의 채널을 할당하고 있었지만, 방송 위성에서도 4K·8K 방송 개시 이후에는 우선광과 좌선광, 두 종류의 원편광에서 혼신이 일어나지 않기 때문에 다른 채널을 할당하고 있다. 한편, 라디오의 AM 방송은 파장이 길기 때문에 안테나 설치에 필요한 토지 면적의 제약으로 수직 편광이 사용된다.[29]
7. 자연광의 편광
태양광은 원래 비편광이지만, 지표면에 도달하는 태양광에는 대기 중에서 산란되어 편광된 성분이 포함되어 있다. 맑은 날 하늘의 각 방향에서의 편광 분포는 레일리 산란으로 계산한 결과와 비슷하며, 태양 및 대태양점(천구상의 태양의 정반대) 근처에서는 편광도(Degree of polarization, DOP)가 작고, 태양으로부터 90도 방향에서 최대가 된다.[37] 단, 편광도의 최대값은 0.9 정도인데, 그 원인으로는 공기 분자의 극성률에 이방성이 있는 것, 공기 분자와 에어로졸 입자에 의한 다중 산란, 지표면에서의 반사광 등이 있다.[37] 에어로졸 입자나 구름의 양, 눈의 면적이 증가하면 편광도는 작아진다.
8. 생물의 눈과 편광 인식
사람 눈은 빛의 세기와 색깔을 구별할 수 있지만, 편광은 거의 구별할 수 없다. 망막 중심부에 약간의 편광 특성이 있어서 주의 깊게 보면 하이딩거 브러시라고 알려진 희미한 황색과 청색의 줄무늬가 보이지만, 이는 개인차가 있다.[32] 따라서 일반적으로 인간이 편광을 구별하려면 편광자를 통해 보아야 한다.
한편, 곤충은 편광을 구별할 수 있다. 곤충의 겹눈에는 특정 편광 방향에 민감한 시세포가 여러 방향으로 규칙적으로 모여 있기 때문이다. 곤충은 자연계의 편광을 잘 이용한다. 예를 들어, 꿀벌은 하늘의 빛의 편광을 이용하여 태양이 보이지 않는 흐린 날씨에도 방향을 틀리지 않고 장거리 비행을 할 수 있다.[32] 또한, 어떤 종류의 강도래는 생식기가 되면 물웅덩이의 반사광 편광을 이용하여 모인다. 노린재나 천마도 등 일부 곤충의 몸은 액정과 같은 구조색을 가지고 있으며, 한쪽 원편광만 선택적으로 반사한다. 더 나아가 갯가재는 원편광의 회전 방향을 구별할 수 있다.[38] 사마귀에 기생하는 철선충은 편광을 구별할 수 있는 사마귀의 시각을 이용하여 숙주를 물가로 유인한다.[39]
바다와 같은 깊은 수중에서는 가시광선 대신 편광을 활용하는 수생 생물도 존재하며, 오징어와 문어는 편광을 감지하여 시야를 명료하게 하기 위해 눈을 조절하는 기구를 갖추고 있다.[40][41] 나아가, 전갱이류(Jackfish) 와 같은 외양성 어류는 수중 편광을 활용하여 위장에 이용한다.[42]
9. 푸앵카레 구 (Poincaré Sphere)
임의의 편광 상태는 구면 상의 한 점으로 표현할 수 있다. 좌원편광은 +z극, 우원편광은 -z극이다. 수평 편광을 +x로 하면 수직 편광은 -x이며, +y와 -y는 대각 방향의 편광이 된다. 적도 상의 다른 모든 점은 다른 방향의 선형 편광이다. 이색성 파장판을 통과하는 것은 구를 회전하는 것과 같다. 편광자의 y축을 통과하는 편광 x의 진폭의 크기는 x축과 y축의 대척점 사이의 거리의 1/2이 되며, 즉 강도는 가 된다.[30]
구를 이용한 표현은 앙리 푸앵카레에 의해 고안되었으며, 윌리엄 슈클리프(William A. Shurcliff)에 의해 영어로 확장되어 논의되었다.
10. 반사와 편광
서로 다른 매질의 경계면에서 빛이 반사될 때, "입사면"과 "전기장 또는 자기장의 진동 방향"에 따라 s파(s편광)와 p파(p편광)로 구분한다. 입사면은 입사파의 진행 방향과 경계면에 수직인 벡터로 이루어진 평면이다. 이 평면과 평행한 전기장 성분을 ''p-유사''(parallel)라고 하고, 이 평면에 수직인 성분을 ''s-유사''(senkrecht, 독일어로 '수직'이라는 뜻)라고 한다.[43] 따라서 입사면을 따라 전기장이 있는 편광된 빛을 ''p-편광'', 전기장이 입사면에 수직인 빛을 ''s-편광''이라고 부른다.
빛이 경계면에 입사할 때, 그 빛을 s파 성분과 p파 성분으로 나눌 수 있으며, 전체 반사율은 (s파 성분의 비율 × s파의 반사율) + (p파 성분의 비율 × p파의 반사율)로 표현된다. 원편광의 경우에는 항상 s파 성분의 비율이 50%, p파 성분의 비율이 50%가 된다. p파의 반사율은 어떤 입사각에서도 s파보다 낮다. 브루스터 각에서 반사율이 0이 되는 것은 p파뿐이다.
s파와 p파의 개념은 입사면이 존재할 때, 즉 빛이 서로 다른 매질의 경계면에 입사할 때에만 정의된다. 경계면에 대해 빛이 수직으로 입사할 때에는 s편광과 p편광의 구분이 없다.
| s-편광 (s-polarization) | p-편광 (p-polarization) |
|---|---|
| 횡전기 (TE) | 횡자기 (TM) |
| 시그마-편광 (σ-편광) | 파이-편광 (π-편광) |
| 시준면 편광 | 접선면 편광 |
11. 편광 관련 용어
전기 공학과 광학은 역사적으로 다른 학문으로 발전해 왔기 때문에, 동일한 편광에 대해 여러 가지 명칭이 사용된다. 도파관이나 FDTD법에서의 편광 명칭은 전기 공학과 같지만, 그 정의는 반대이다.
| 전자기파의 성질 | 진행 방향에 대해 시계 방향인 전자기파 | 진행 방향에 대해 반시계 방향인 전자기파 |
|---|---|---|
| 전기 공학 | 우원 편파 (진행 방향에 대해 오른쪽 회전) | 좌원 편파 (진행 방향에 대해 왼쪽 회전) |
| 광학 | 좌원 편광 (받는 쪽에서 보았을 때 왼쪽 회전) | 우원 편광 (받는 쪽에서 보았을 때 오른쪽 회전) |
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문서
어떠한 물리현상을 설명할 때 진행방향을 마주보고 설명하는 경우가 많은 것은 아니지만 광학에서는 일반화되어 있다.
[44]
문서
위 본문 설명에서 좌원편광이 시계방향이라 한 것은, 빛이 관찰자쪽으로 다가오는 상태에서(즉, 진행방향을 마주보는 상태에서) 설명하면 좌원편광이 시계방향이기 때문이다. 빛이 진행하는 방향으로 관찰한다면 좌원편광은 반시계방향이 된다.
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