빛과 물질의 상호작용

기상연구소

원격탐사연구실

조남서

E-mail: pcanonjr@metri.re.kr

순서

1. A Short History of Light and matter

2. Spectroscopy의 기본적인 개념

3. ElectroMagnetic wave

4. Beamsplitter

5. Dichroism과 Birefringence

6. Detector의 원리와 소자의 특성

1. A Short History of Light and Matter

Spectroscopy의정의: Spectroscopy is the study of matter

by using electromagnetic radiation

: 우리눈이자연계의물체를바라보는방식

현대적인관점에서보는 spectroscopy는: Matter와 Light(or EM wave)의 interaction이다.

결국기상위성의센서가하는일은대기중의물질과지구에서복사되는 EM wave사이의 interaction을읽어주는장치(눈을대신하지만더민감한)일뿐이다.

Interaction에 대한Physical Meaning

Interaction, 즉상호작용이라는것은 A가 B에영향을주는만큼, B가 A에게영향을준다는것을의미한다.

그렇기때문에, 어떤상호작용을거친후, A를관찰하면B에관한정보를얻을수있다. 이점을이용하는것이바로분광학이고, 센서가하는일이다.

위성의센서는이런상호작용에의한미미한변화를읽어줌으로써, 사용자가관찰할수없는정보를보내주는역할을하게된다.

물질에 대한 역사

고대 그리스 – 4원소설, Democritus의 원자설

라부아지에 – element라는 개념을 도입

돌턴 – 원자설

아보가드로 – 분자설

J.J.톰슨 – 음극선의 발견(후에 전자로 명명)

밀리칸 – 전하와 질량의 비율 계산

러더퍼드 – 핵의 발견

드브로이 - 물질파슈뢰딩거 – 현대적인 물질의 모형 제시

빛의 역사

스넬 – 굴절에 관한 법칙

페르마 – the principle of least time

후크 – 빛을 하모닉 파동으로 바라봄(Longitudinal wave)

호이겐스 – 빛의 파동설 정립

뉴턴 – 프리즘 실험을 통한(최초의 분광) 빛의 성질 규명

빛은 다양한 색을 가진 빛알갱이(스펙트럼)의 모임이다

영 – 이중 슬릿 실험 : 빛은 파동이다(transverse wave)

레이라이&진스 – UV Catastrophe

플랑크 – h라는 상수 도입, Energy Quantization, photon

컴프턴 – 단색광의 산란 실험, 빛의 운동량 증명

빛의입자-파동이중성 (Duality)

Quantum Physics의 개괄

Nuclear StructureRutherford: 원자핵+전자

N.Bohr: 각운동량의 양자화(궤도함수)

de Broglie: 물질파

Plank의 플랑크 상수 h의 도입

Einstein의 광전효과 해석

슈뢰딩거와 하이젠버그의 양자역학슈뢰딩거 - 파동역학

하이젠버그 - 행렬역학

Plank 상수 h의 의미

Classical science region

Newtonian motionMaxwell EquationThermal physics결정론적관점

Geometrical optics

Modern science region

Quantum mechanicsQuantum Electrodynamics

Statistical physicsHeisenberg’s uncertainty

Quantum optics, Photonics

h

2.Spectroscopy의기본적인 개념

Newton – prism을 통한 빛의 파장별 분리

Wollaston과 Fraunhofer – 태양의 spectrum에서 검은색 선의 존재 발견

Bunsen과 Kirchhoff – spectroscopy라는 개념을 처음으로 도입

Kirchhoff의법칙높은온도에서 Blackbody가방출하는파장의빛을낮은온도에서는흡수한다.

Kirchhoff의 법칙 다이어그램

고온에서

특정파장의빛을복사한다

저온에서

특정파장 만흡수

같은파장

모든파장을다가지고있음

양자역학적 관점에서 본Kirchhoff의 법칙

한원자내부의전자에너지준위는띄엄띄엄하다

바닥상태

들뜬상태

외부에서 에해당하는파장

공명(Resonance)에의한흡수/방출이일어난다.

흡수/방출에 대한 다이어그램

공명흡수에의한들뜸

에너지준위에해당하는에너지방출

관찰하기 쉬운 예

수소원자의선스펙트럼은 Kirchhoff의법칙을적용해볼수있는좋은예가된다. 특히 Balmer계열의선스펙트럼은영역이가시광선부분이기때문에관찰하기도쉽다.

각 파장대별 특성

RF:▶ NMR, ESR등 핵이나 분자의 spin과 같은 성질 분석

Microwave:▶ 분자의 회전 에너지

Infrared:▶ 분자의 진동 에너지 – 분자 사이의 결합을 알아내는데 유리

Visible and UV:▶ 최외각 전자의 에너지

X-ray:▶ 원자 내부의 전자들 에너지

-ray:▶ 핵 에너지

도표로 본 EM wave의 이용

분광계의 종류

1. Dispersive spectrometer

▷prism이나 grating 이용

2. Filter-based spectrometer

▷filter를 이용

3. Fourier-transformed spectrometer

▷두 파동의 간섭을 통한

Interferogram을 이용

3. ElectoMagnetic wave

Maxwell’s Eq.

파동 방정식의 유도

Source가 없는 infinite medium에서 Maxwell Equation은…

변수분리법을통해서앞의 4개 Maxwell Eq.식을풀어주면

Uniformly, Isotropic, Linear media에서,

정리해주면,

: Helmholtz’ wave equation

일반적으로시간과공간의함수인 E나 B를풀어줄때, 시간의함수와공간의함수가각각곱으로주어진다고가정을하고풀어주는수학적인풀이법으로, 이경우시간은하모닉한형태로많이표현해준다.

Helmholtz 방정식의 풀이

형태의해를갖는다고하자.

그러면, wave number 는phase velocity는

따라서 Helmholtz식의 1차원일반해는

Maxwell 방정식의 이해

Transverse, plane wave (the transport of energy)

이과정을기술하는미분방정식: Maxwell Equation따라서, 일반적인해는 Green function의형태이다.

빛의 진행 – 반사

반사의법칙 (Fermat의원리)

입사각 = 반사각

이때, 파장은같지만,편광은달라질수있다.

편광이달라지는현상:Brewster의법칙

빛의 진행 - 굴절

매질1

매질2

Snell의법칙

전반사: n값이큰쪽에서작은쪽으로입사시발생하는현상으로전반사가일어나는최소한의임계각이존재하게된다

EM wave와 물질과의상호작용

EM wave 또는빛이진행하다가진공이아닌다른어떤물질을만났을때 다음과같은세가지방식의상호작용을하게된다.

1. 반사 : 거울2. 투과 : 렌즈3. 흡수 : 분광학에응용

특히, 흡수된 EM wave가가지고있던에너지는그에너지의크기에따라, 전자궤도의천이나분자의진동, 회전운동을변화시켜준다.

Dispersion relation

현대분광학에서의목표및과제1. 오차의최소화2. 분석의예민함

이런문제가생긴근본적인이유: 상호작용

Dispersion relation : frequency에따른물질과 EM wave 상호작용관계가변함

Dispersion relation의 해석

우리가가시광선영역에서투명하다고생각하는물질의경우,물질과 EM wave가상호작용하는특별한주파수가가시광선이아닌다른영역에있다는뜻이다.

frequency와 matter사이의 상관 관계

Index of refraction이물질에따라다른값을보여주기도하지만,

Frequency(wavelength)에따라다른값을보여준다.

주파수 별 유리의 굴절율

우리가보통투명하다고생각하는유리도주파수에따라굴절률이틀리고,유리의종류에따라다틀린모습을보여주고있다

Semiconductor lens

가시광선영역에서는빛을투과시키지않는반도체들이지만, 적외선영역에서는훌륭한렌즈의역할을한다

4.Beamsplitter

Beamsplitter란?

Beamsplitter, 광분할기는특수한재질로되어있는광학장치로입사하는빛을원하는조건에맞도록나눠준다.

일반필터가파장에따라나눠준다면, 빔스플리터는파장에대한나눠주는것뿐만아니라, 빛의세기도나눠준다는좀더폭넓은장치를말한다.

여러 Beamsplitter의 모습

비편광큐브형태

빔스플리터

Dielectric 빔스플리터

Spectral band에 따른일반적인 Beamsplitter의 재질

KBr, Ge/Sb2S3코팅이산화탄소(CO2)

KBr, Ge/Sb2S3코팅원적외선(FIR)

KBr 또는 CaF2수증기(WV)

KBr, Ge/Sb2S3코팅중적외선(MIR)

BK7 glass근적외선(SWIR)

Quartz, TiO2코팅가시광선(VIS)

BeamsplitterSpectral Band

참고: Quartz – 석영, BK7 – Borosilicate Crown Glass

파장별 Beamsplitter의 특성

출처: 스위스 ABB BomemDA8 spectral range

Beamsplitter의 Efficiency

출처: 독일 BrukerTensor27/37

5. Dichroism과Birefringence

1. Dichroism(쌍색성)의정의: 원하는형태의파동만통과시키고, 원하지않는파동은흡수해버리는성질, 이때이형태라는것은파장이될수도있고, 편광등이될수도있다.

2. Birefringence(복굴절)의정의: 물질의독특한성질로, 편광상태에따라입사된파동을둘로나누어통과시킨다. 이때, 두파동중하나를정상파동(o-ray), 다른하나를이상파동(e-ray)라고부른다.

Dichroism의 원리와 응용

Wire-grid polarizer에입사한빛이편광되는모습

Dichroism물질에서빛이 absorption되는모습

Birefringence의 예

Birefringence의 원리와 응용

6.Detector의원리와 소자 특성

Detector란? : 특정한에너지를가지고있는 photon에대해선형적으로반응을하는소자의특성을이용하여 radiation의신호나세기를검출하는장치

Nanoscale MCT의검출원리

MCT란 무엇인가?

MCT란?Hg(1-x)Cd(x)Te의약자로, x의성분함량에따라감지할수있는파장대를선택할수있다. 또한, 증착방법을통해서쉽게그함량 x를조정해줄수있다는장점이있어서일찍부터 IR쪽감지소자로많이연구되었다.

x=0.3일경우 3~5 micrometerx=0.2일경우 8~12 micrometer

x의함량을적당히조정할경우, 현재 InSbAs를사용하는근적외선분야도 MCT로대체가능할것으로전망한다.

MCT의 구조와 특성

MCT의결정구조: FCC구조 MCT의 IR투과측정

Spectral band에 따른상용화된 Detector의 종류

MCT나 Si bolometer이산화탄소(CO2)

MCT원적외선(FIR)

MCT수증기(WV)

MCT중적외선(MIR)

InSb근적외선(SWIR)

Si photo Diode가시광선(VIS)

Detector 소자Spectral band

UV이상되는더높은에너지의 photon검출시에는 PMT를사용한다

파장별 Detector의 특성

출처: 스위스ABB BomemDA8 spectralrange

참고 서적

Optics, 2nd Ed. By E.Hecht, Addison-Wesley

Classical Mechanics, 3rd Ed. By J.D.Jackson, John-Wiley

The Basics of Spectroscopy, David W. Ball, SPIE press

ABB Bomem website(http://www.abb.com/analytical)

Bruker website(http://www.brukeroptics.com)

참고 논문

HgCdTe로 제작된 광전압형 근적외선 감지소자의 특성, 김진상 외, 새물리 2001년 6월, pp.317~321

Photocurrent mechanism in a hybrid system of 1-thioglycerol –capped HgTe nanoparticle, Hyunsuk Kim외, APL, Dec. 2003, Vol. 83, No. 22

적외선 투과측정에 의한 MCT의 Energy Gap과 성분비에 관한 연구, 김철중외, 새물리, 1989년 6월, pp 384~389

끝

감사합니다