마이켈슨 간섭계

  • 마이켈슨 간섭계의 실험에서는 마이켈슨 간섭계의 원리를 이해하고 이를 이용하여 레이저의 파장을 측정한다.
1)마이켈슨 간섭계 소개

마이켈슨 간섭계는 빛의 매질을 에테르라고 가정하고 그 존재를 확인하기 위해 고안해낸 실험이다. 하지만 이 실험을 통해 에테르는 존재하지 않다는 것을 증명하게 되었다. 현재로는 빛의 파동 중 유일하게 매질이 필요 없는 파동으로 정의 되어있다. 현재 마이켈슨 간섭계 실험은 물질 속에서의 빛의 속도 변화를 측정하여 물질의 굴절율을 측정하는데 사용한다.


2)마이켈슨 간섭계 원리

광원(Laser)에서 나온 빛은 빔 슬릿(Beam Splitter)에 도달하여 두 개의 광선 A, B로 분리된다. 이때 분리된 두 광선은 각각 다음과 같은 경로를 지나 스크린에 도착한다.
광선A: 빔 슬릿 → 거울 M_1→ 빔 슬릿→ 스크린
광선B: 빔 슬릿 → 거울 M_2→ 빔 슬릿→ 스크린


광선 A, B는 동일한 광원에서 발생하였기 때문에 진동수가 동일하며 위상 관계가 일정하다. 광선의 이동 경로의 길이 차이에 따라 상대적인 위상이 바뀌며 이로 인해 스크린에 간섭 무늬가 나타난다.

[실험1] 마이켈슨 간섭계에서의 빛의 파장을 구하기 위해서는 특정한 관찰점에서 보강 간섭이 일어난다고 가정한다. 이때 거울M_2의 위치를 λ/2 이동하면 광선 B의 광경로가 λ만큼 변화하여 동일한 관찰점에서는 다시 보강 간섭이 발생한다.
따라서, 거울M_2의 위치를 d만큼 이동하는 동안 특정 관찰점을 지나간 밝은 무늬의 개수(N)를 측정하면 빛의 파장을 구할 수 있다.



[실험2] 투명한 시료의 굴절률을 측정하기 위해서는 측정하고자 하는 시료를 거울M_2 앞에 놓는다. 광선B가 시료를 통과하기 때문에 시료의 굴절률(n)과 두께(t)에 따른 경로차(d)가 발생한다. 이때 발생하는 경로차(d)는 다음과 같다.
2또한, 시료를 θ만큼 회전시켜서 회전시켰을 때를 고려하여 투명한 시료의 굴절률(n)에 관한 식을 정리하면 다음과 같다.

[실험3] 다양한 압력에 따른 공기의 굴절률 변화에 대해 알아보기 위해서는 압력 셀(Pressure Cell)를 거울M_2 앞에 놓는다. 펌프를 이용하여 셀 내의 기체 압력 변화(∆P)를 조정한다. 압력 셀의 길이가 l이고 압력 변화가 ∆P일 때 가장자리로 이동한 간섭 무늬의 개수(m_∆P)에 대한 방정식은 다음과 같다.