회절격자

3. 작동 원리

회절격자는 격자 간격(인접한 격자 홈 또는 슬릿 사이 거리), 격자에 대한 파동(빛) 입사각, 격자로부터 회절된 파동 간의 관계를 나타내는 격자 방정식을 통해 작동 원리를 설명할 수 있다. 이 방정식은 휘헌스-프레넬 원리^[21]를 사용하여 유도할 수 있다.

회절격자는 거울이나 렌즈와 유사한 '반사형' 또는 '투과형'이 될 수 있으며, 회절의 정수 차수 ''m''이 0인 '0차 모드'를 가진다. 이 경우 광선은 반사 및 굴절 법칙을 따른다.

회절격자는 입사된 다색광선을 각 파장 성분으로 분리하여 서로 다른 각도로 분산시킨다. 즉, 각도 분산성을 갖는다. 각 파장은 서로 다른 방향으로 진행하여 백색광 조명 아래에서는 무지개 색깔을 생성한다. 이는 프리즘의 동작과 시각적으로 유사하지만, 프리즘은 굴절률 차이 때문에, 회절격자는 각 파장에서의 간섭 때문에 빛을 분리한다는 점에서 메커니즘이 다르다.

3. 1. 기본 원리

• 투과 진폭 회절격자: 격자를 통과하는 입사파의 세기를 공간적, 주기적으로 변조.
• 반사 진폭 회절격자: 격자로부터 반사되는 입사파의 세기를 공간적, 주기적으로 변조.
• 투과 위상 회절격자: 격자를 통과하는 입사파의 위상을 공간적, 주기적으로 변조.
• 반사 위상 회절격자: 격자로부터 반사되는 입사파의 위상을 공간적, 주기적으로 변조.

3. 2. 회절 차수

3. 3. 회절격자 종류 (변조 방식에 따른 분류)

• 블레이즈드 격자: 톱니 모양 단면을 가진 홈으로 제작되어 특정 파장에서 최대 회절 효율을 얻을 수 있다. 주로 가변 레이저 등에서 특정 파장을 선택하는 데 사용된다.^[45]
• 디지털 평면 홀로그래피 (DPH) 격자: 디지털 평면 홀로그래피(DPH) 기술을 이용하여 제작된다. 컴퓨터로 생성된 격자 패턴을 광도파로 평면에 새겨 넣어 굴절률 구배를 통해 빛을 제어하므로, 더 긴 상호 작용 경로와 유연한 빛 조향이 가능하다.

• 요철형: 표면에 요철을 만들어 광로차를 발생시킨다.
• 굴절률 변화형: 굴절률이 다른 물질을 교대로 배열하여 광로차를 발생시킨다.
• 블레이즈드 격자 (반사형): 톱니 모양 단면에서 빛을 반사시켜 광로차를 발생시킨다. 주로 분광 소자로 사용된다.^[45]

3. 4. [[양자전기역학]](QED)적 설명

4. 회절격자의 종류

회절격자는 형태, 주기, 단면 형상, 재질, 제조법, 회절 방식 등에 따라 매우 다양하다. 영상 처리 분야에서 빛의 위상 분포를 영상화하거나, 홀로그램, 존 플레이트와 같은 광학 소자로 활용되기도 한다.^[46] 가속된 중성자와 같은 물질파를 위한 특수한 회절격자도 있다.

일반적인 회절격자는 빛을 가리는 부분과 통과시키는 부분이 번갈아 배열된 형태이지만, 빛을 가리지 않더라도 인접한 부분을 통과하는 빛 사이에 일정한 광로차(위상차)가 있으면 회절이 일어난다. 따라서 요철, 굴절률 차이, 톱니 모양 단면에서의 반사 등으로 광로차를 만드는 방식이 주로 쓰인다.^[47] 빛을 일부 가리면 광자 수가 줄어 손실이 생기므로, 실제로는 빛의 세기가 줄어들지 않는 회절 방식을 택하는 경우가 많다.

4. 1. 모양에 따른 분류

4. 2. 빛의 산란 방향에 따른 분류

광축 회절격자도 반사 또는 투과 위상 회절격자로 간주된다.

; 투과형

: 빛이 투명한 재질의 표면에 등간격으로 새겨진 홈을 통과하면서 회절 현상이 일어나는 격자이다. 주로 필터로 사용되며, 교육 분야에서 회절 현상을 설명할 때 자주 이용된다. 분산형 분광기에도 사용되지만,^[48] 일반적으로는 반사형 회절격자를 사용하는 분광기가 더 많이 쓰인다.

; 반사형

: 회절격자에 의해 반사된 빛의 회절을 이용하는 격자이다. 대부분의 회절격자가 이 방식을 사용한다. 반사형 및 투과형 회절격자는 홈의 각도(블레이즈각)를 조절하여 특정 파장 영역의 회절광 에너지를 강화할 수 있는데, 이를 '''블레이즈드 회절격자'''라고 한다.

4. 3. 제조 방법에 따른 분류

5. 응용 분야

회절격자를 이용하여 얻을 수 있는 효과 중 쉽게 이해할 수 있는 것은 CD의 읽기면에 태양광이나 실내등을 비추었을 때 무지개색으로 빛나는 현상이다. 이것은 프리즘에 빛을 통과시켰을 때 보이는 현상과 비슷하지만, 프리즘에서는 빛의 굴절에 의해 색이 분리되는 (스펙트럼이 나타나는) 반면, 회절격자에서는 빛의 회절과 간섭에 의해 스펙트럼이 나타난다.^[45] 이러한 분광 능력으로 인해 회절격자는 이화학 기기의 스펙트로미터나 광학용 모노크로미터의 구성 요소로 자주 사용된다.

회절격자는 선이 평행하게 달리는 단순한 격자 모양을 떠올리기 쉽지만, 패턴의 형태, 주기, 단면 형상은 다양하며, 재질과 제조법도 경우에 따라 다르다. 또한, 회절을 일으키는 방법에도 여러 종류가 있다. 분광 소자로서가 아니라 영상 처리 분야에서 빛의 위상 분포를 영상화하기 위해 사용되는 경우도 있으며, 같은 분야에서 사용되는 회절격자와 유사한 구조를 가진 광학 소자로 홀로그램이나 존 플레이트(X선 현미경에서 사용되는 회절 렌즈의 일종) 등이 있다.^[46] 또한, 가속된 중성자와 같은 파동성을 가진 입자(물질파)를 위한 특수한 회절격자도 있다.

모델로 자주 설명되는 회절격자는 빛을 통과시키는 블록과 차폐하는 블록이 번갈아 배열된 것이지만, 빛을 차폐하지 않더라도 인접한 블록을 통과하는 빛 사이에 일정한 광로차(위상차)가 있으면 회절이 일어난다. 따라서, 요철에 의해 광로차를 만드는 유형, 굴절률의 차이에 의해 광로차를 만드는 유형, 톱니 모양 단면에서의 반사에 의해 광로차를 만드는 유형(블레이즈드 회절격자) 등이 자주 사용된다. 또한, 빛의 일부를 차폐하면 광자 수가 줄어 손해를 보므로, 실제로는 위 3종과 같은 광 강도가 감쇠하지 않는 회절 방식을 채택하는 경우가 대부분이다.

일반적으로 자주 보이는 회절격자는 다수의 직선이 평행하게 나란히 배열된 1차원 패턴을 가진 것이다. 실용에서는 이 패턴의 회절격자가 대부분을 차지하지만, 영상 처리 분야에서 사용되는 회절 렌즈는 동심원상의 패턴을 가지고 있다. 회절 렌즈는 회절격자와 같은 구조를 가지고 있으며, 프레넬 회절 영역의 간섭 무늬를 어떤 한 점(초점)에 발생시킴으로써 렌즈의 역할을 하는 광학 소자이며, 그 때문에 동심원상 패턴의 간격은 중심에서 가장자리로 갈수록 점점 작아진다.

이 외에도, 원리적으로 어떠한 2차원 도형 격자라도 회절과 간섭을 일으킬 수 있으며, 홀로그램도 회절격자의 일종으로 본다면 그 패턴 형태는 무수히 많다고 할 수 있다.^[47]

6. 일상생활에서의 예시

일반적인 압축 CD와 DVD 매체는 회절격자의 일상적인 예이며, 햇빛을 이를 통해 흰 벽에 반사시켜 그 효과를 보여주는 데 사용할 수 있다. 이것은 제조 과정의 부산물로, CD의 한 표면에는 플라스틱에 작은 구멍이 나선형으로 많이 배열되어 있으며, 그 표면에는 구멍을 더 잘 보이도록 얇은 금속층이 적용되어 있다. DVD의 구조는 광학적으로 유사하지만, 구멍이 있는 표면이 하나 이상일 수 있으며, 모든 구멍이 있는 표면은 디스크 내부에 있다.^[29][30]

표준 압축 바이닐 레코드를 홈에 수직으로 낮은 각도에서 보면 CD/DVD와 유사하지만 덜 명확한 효과가 나타난다. 이는 시야각(검은색 바이닐의 임계각보다 작음) 및 이로 인해 반사되는 빛의 경로가 홈에 의해 변경되어 무지개색 릴리프 패턴이 남기 때문이다.

회절격자는 GlowLight가 장착된 Nook Simple Touch와 같은 전자책 읽기 장치의 프런트라이트를 고르게 분산하는 데에도 사용된다.^[32]

7. 자연계의 회절격자

참조

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_[46] 문서 分光の場合はフラウンホーファー回折を用いるが、イメージングの場合はフレネル回折を利用することが多い
_[47] 문서 格子がどのような2次元パターンでもフラウンホーファー回折領域の干渉縞の形はそのフーリエ変換に相当するため、光コンピューティングの分野でフーリエ変換を高速に行うための手法として研究されていた。また、ホログラムは再生対象となる物体から散乱あるいは屈折された光がフレネル回折領域に作る干渉縞そのものをパターンとした回折格子である。ホログラムの再生過程ではこの干渉縞から元の物体形状を光学的に再構成する。この場合、ホログラムへの記録が物体形状のフレネル変換、その再生が逆フレネル変換に相当している。
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_[49] 문서 実際、高等学校の物理の教科書では回折格子を分光素子としては特に紹介せず、それによる単色光の回折と干渉のみを扱うことが多い。
_[50] 문서 実際に干渉が起こるかどうかは入射光の\nコヒーレンスによるが、ここでは入射光として光軸に垂直な平面内で位相の揃った完全な単色光を仮定しているので必ず干渉が起こる。現実には単色光としてレーザー光を用いることが多い。
_[51] 문서 数学的には、干渉縞のパターンは格子のパターンのフーリエ変換に相当する
_[52] 문서 分光ではn=1（またはn=-1）を用いることが多い。一般的にnの絶対値が大きくなるほど強度が弱くなる。
_[53] 문서 格子サイズと光のコヒーレンスが有限であること、またフラウンホーファー回折による0次干渉縞が強く現れることから、一般的にフレネル回折による干渉縞はLが大きくなるにつれて判別できなくなる。
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