{{{+1 [[光]][[學]] / Optics}}} * [[물리학 관련 정보]] [include(틀:전자기학)] [목차] == 개요 == '''[[전자기파]]'''의 특성을 연구하는 응용물리 분야이다. 전근대에는 물론 일반적으로 빛이라 부르는 [[가시광선]]만 연구했지만 [[제임스 클러크 맥스웰|맥스웰]]에 의해 [[가시광선]]이 전자기파의 일종이라는 사실이 드러나자 광학은 [[전파]]부터 [[감마선]]까지의 모든 영역에 걸친 연구분야로 발전하기 시작했다. 또한 [[빛]]은 물리학에서 전자기파 자체를 가리키는 말이 되었다. 상당히 오랜 역사를 자랑하는 학문으로, [[양자역학]], [[통계역학]], [[전자기학]], [[상대성 이론]], [[분광학]]과 밀접한 관련이 있다. [[물리학]]의 역사 및 응용물리 분야 안에서 큰 비중을 차지한다. 산업적으로 응용범위가 넓으면서도 공대에서는 비교적 덜 전문적으로 다루는 반면, [[물리학과]]에서는 심도있게 연구하는 학문이기 때문에 [[고체물리학]]과 함께 물리학도들의 [[취업]]을 책임지는 핵심 밥줄을 맡고 있다.[* 고체물리학이 재료과학/공학과 밀접 하다면 광학이 다루는 빛은 '''입자성'''을 가진 '''전자기파'''라는 것에서 응용 범위가 넓다.] 해외의 몇몇 대학들은 광학을 물리학 전공과 따로 구분하기도 한다. 이는 [[레이저]], 광학 시스템 설계, 광측정, 기하광학, 양자광학 등 셀 수 없을만큼 많은 하위 분야가 뻗어있기 때문으로, 분야가 굉장히 폭넓고 깊다. == 역사 == === 거울과 렌즈의 등장 === 광학의 역사는 인류가 [[빛]]을 기술적으로 이용해오기 시작한 기원전까지 거슬러 올라간다. 최초로 빛을 이용하는 데에 쓴 도구는 [[거울]]인데, 초기의 인류는 수면에 반사되는 빛을 거울로 사용했으리라고 추측된다. 현존하는 가장 오래된 거울은 아나톨리아의 차탈회위크 (Çatalhöyük)에서 발굴되었는데, 현재로부터 약 8000년 전에 [[흑요석]]으로 만들어졌다고 한다.[* 출처: Enoch, J. M. (2006). History of mirrors dating back 8000 years. Optometry and vision science, 83(10), 775-781. DOI: 10.1097/01.opx.0000237925.65901.c0] 또한, 세소스트리스 2세의[* Sesostris II 혹은 Senusret II. 기원전 1897년부터 1878년까지 이집트를 통치했던 [[파라오]].] 피라미드 근처에 있는 노동자 거주지역에서 완벽한 상태의 거울이 발견되었다. 렌즈 또한 인류 역사 초기에 제작된 도구인데, 기원전 700년경에 [[아시리아]]에서 [[석영]] 등의 광물을 깎아서 만든 렌즈가 발굴될 정도라고 한다. [[성경]] 등에서도 거울에 대한 묘사가 등장하는데, 이는 [[출애굽기]] 38장 8절에서 확인할 수 있다. === 고대-중세: 빛의 성질 탐구 === 빛의 성질에 대한 연구가 처음으로 시작된 것은 고대 그리스 시기로 보인다. [[피타고라스]], [[데모크리토스]], [[엠페도클레스]], [[플라톤]], [[아리스토텔레스]] 등의 많은 학자들이 빛의 성질에 대해 탐구하였다. 예를 들어 빛의 직진성과 반사의 법칙은 [[유클리드]]의 책 반사광학(Catoptrics)에서 설명되었는데, [[헤론]]은 빛이 한 점에서 다른 점으로 갈 때 가장 짧은 경로를 따라 이동한다고 주장하여 이 현상을 설명하고자 했다.[* 과학사에 대해 지식이 있는 사람이라면 이 구절을 읽고 [[페르마의 원리]]를 떠올렸을 것이다. 다만 헤론과 페르마가 묘사가 완전히 같지는 않은데, 헤론은 빛이 이동하는 거리, 페르마는 빛이 이동하는 시간에 초점을 맞추었다.] 다른 예시로 빛의 굴절 현상을 들 수 있는데, 클레오메데스(Cleomedes)는 빛의 굴절 현상을 정량적으로 해석했고,[* Carl B. Boyer의 책 The Rainbow: From Myth to mathematics의 p61] [[프톨레마이오스]]는 다양한 매질 속에서 빛의 입사각과 굴절각을 기록하였다. 이렇게 초기 광학의 발전에는 그리스 학자들의 역할이 컸다. 하지만 유럽은 [[서로마 제국]]의 멸망 이후 [[암흑시대]]로 접어들게 되고, 학문의 주도권은 이때부터 이슬람 학자들에게 넘어가게 된다. 이 시기 활약한 이슬람 학자에는 대표적으로 [[이븐 알하이삼]]이 있다. === 근대 이후: 빛의 입자성과 파동성 === 본격적으로 광학이 물리학에 포함된 것은 [[17세기]]부터이다. 위대한 물리학자인 [[아이작 뉴턴|뉴턴]]은 고전 광학에서도 큰 족적을 남긴 학자로, 프리즘에 태양광을 입사시켰을 때 나타나는 분광 현상 및 빛의 다양한 성질을 연구하고 발표했다. === 현대: 빛의 이중성 === 이 시기에 [[하위헌스 원리]]를 발견한 과학자 [[하위헌스]]는 빛이 파동이라 생각한 반면, 뉴턴은 빛이 입자의 흐름이라 생각하였다. 이 때부터 불붙기 시작한 빛이 파동이냐 입자냐에 대한 논쟁은 20세기 초까지 이어진다. 이 논쟁에서 '빛= 파동'설을 지지한 대표적인 학자는 영의 이중슬릿 실험으로 유명한 [[토마스 영]], [[맥스웰 방정식]]을 토대로 빛이 전자기파임을 밝혀낸 [[제임스 클러크 맥스웰]] 등이 있으며, '빛= 입자'설을 지지한 대표적인 학자로는 [[광전효과]]를 밝혀낸 [[알베르트 아인슈타인]][* 아인슈타인이 빛이 파동임을 부정했다는 건 아니다.] 등이 있다. 이 논쟁은 결국 1900년대 현대물리학의 대표적 성과로 손꼽히는 [[양자역학]]의 정립과 함께 '''빛은 파동의 성질도 입자의 성질도 가지고 있다'''라고 결론이 났고, 더 나아가 '''사실 빛 뿐만 아니라 모든 물질이 다 파동의 성질과 입자의 성질을 가진다'''라는 [[물질파 이론]] 개념까지 확장이 되면서 현대 광학의 역사가 시작된다. == 교재 == * Hecht 광학 5판(조재흥, 황인각, 김규욱 역 ) 내용이 정말 많은 책으로 응용사례, 본문 내용, 물리학적 역사까지 소개되어 있다. 챕터 5,6의 기하광학 파트는 약간 공대적이긴 하지만, 전자기학+일반물리 광학 내용과 파동광학 부분은 극찬받는다. 단점이라면 정성적인 설명을 해놔서 말이 좀 많다(...) 그래서 원서보단 번역서를 사는것을 추천한다. == 세부 분야 == 역사적으로 나누면 고전 광학과 현대 광학으로 나눌 수 있다. 고전 광학은 고전 물리학을 이용해 기술이 가능한 부분이고, 현대 광학은 [[현대 물리학]]을 동원해야 기술 가능한 부분이다. 물론 연구로써의 학문이 아닌 이해와 활용으로써의 학문에 한정된 이야기. 정확히 말하면, 물리학'''과'''에서 연구하는 광학은 무조건 현대광학이지만 공학적으로는 두 가지 모두 다양한 분야에서 최적화와 효율성같은 측면에서 두루 연구된다. 더 세부적으로 들어가면 기하광학, 파동광학, 분광학, 양자광학, 비선형광학 등이 있다. * 기하광학은 [[맥스웰 방정식]]에서 광학기기에 비해 충분히 짧은 파장 대한 근사적인 광학 이론이다. 빛을 빛살로 나타내며, 굴절과 반사 법칙을 이용하여 [[거울]], [[렌즈]], [[프리즘]] 등의 [[광학기기]]의 원리를 설명할 수 있다. * 파동광학은 맥스웰 방정식에서 편광을 무시하고 빛이 한 종류의 파동, 또는 근사적으로 단색광이라 가정한 상태에서의 광학 이론이다. 기하광학의 모든 결론을 포함하고 있으며, 회절과 간섭 등 파동에서만 나타나는 현상들을 추가적으로 설명할 수 있다. 영의 간섭 실험으로부터 빛이 파동이라는 사실이 증명된 후 여러가지 종류의 간섭계가 등장하였다. 간섭 현상을 이용하면 매우 정밀한 측정이 가능하다. 또한, 빛이 광원으로부터 멀리 떨어지지 않은 경우에 해당하는 근접장에서의 광학계를 이용하여 파장보다 작은 영역의 분해능을 갖는 근접장 광학을 포함한다. * 물리광학은 파동광학에서 [[편광]]에 대한 부분을 포함하는 광학 이론이다. 편광은 빛이 진행하는 방향에 대해 수직으로 갖는 두가지 자유도에 해당하는데, 전기장의 진동 방향을 편광의 방향으로 한다. 빛이 진행하는 방향에 대해서 수직인 평면을 하나 생각할 수 있고, 이 평면의 기저 벡터에 해당하는 두 성분이 편광의 두 성분이 된다. 복굴절, 광학 활성 등 편광에 따라 다르게 나타나는 물질의 성질을 설명할 수 있다. * [[양자광학]] * 비선형 광학은 빛의 세기가 매우 강하여 빛에 대한 물질의 반응이 더이상 선형적이지 않은 경우에 대한 이론이다. 고차조화파 발생, 사광파혼합, 라만 산란, 브릴루앙 산란, 커 효과 등이 비선형 광학으로 설명할 수 있는 현상들이다. * [[분광학]]: 레이저를 이용한 분광학 방법에는 고분해능 분광학, 이광흡수 분광학, 포하분광학, Hanel효과, 이주공명 광학 등이 있다. === [[물리학과]] 대학원 === 물리학과 대학원에서 광학을 공부할 경우, 그 시작으로는 광학(석사)을 배우게 된다. 전자파의 기초, 영상에 관한 기하광학, 수차분석, 빛의 간섭및 그 응용, 회절및 Fourier 광학, 전자파의 해석적 표현, 시간및 공간 결맞음(coherence), 홀로그래피, 결정광학 및 비선형광학 등을 다룬다. 그 후로는 다음 과목들을 배우게 된다. * 결정광학 (Crystal Optics): 전자기파의 [[편광]]을 기술하는 기본이론, 주어진 편광상태의 전자기파가 Anisotropic한 결정(Crystal)을 전파할 때 나타나는 편광의 특성 * 광 및 검출기 (Radiation and Detectors): [[전자기파]], [[흑체복사]], Radiometry, Photometry, Vision, 광검출기와 Noise, Photoemissive, Photoconductive, Photovoltaic, Thermal detectors, Coherent Detection, 복사장의 요동 * 광자학 (Photonics) 기초: 레이저에 의한 결맞는 빛의 발생, 광학소자나 광도파관에서의 전파, 변조 (전기, 음향, 광 이용), Switching, 비선형 물질에 의한 주파수 변환과 증폭 * 광정보처리 (Optical Information Processing): 푸리에 광학, [[홀로그래피]], Spatial Filters, Spatial Light Modulator, Diffraction Pattern, 광학 [[패턴인식]], 스펙클(Speckle) 영상법, Incoherent Optical Processing, Quantum-limited Image Processing, Nonlinear Optical Processing * 광학기기 (Optical Instruments): 단순한 광학기기는 [[망원경]] 등을 말한다. 하지만 대학원에서는 광학부품검사(Optical Testing)에 사용되는 다양한 간섭계 (Fizeau, Twyman-Green 등), 프리즘, Grating, Fabry-Perot 간섭계 등의 분광학 기기를 다룬다. * 도파로광학 (Guided-Wave Optics): 여러 형태의 광도파관(Waveguide)에 전자기파를 유도시킬때 적용되는 기본이론으로서 각도파관들의 Mode Analysis, 도파관들 사이의 Optical Coupling등을 다루고 이들을 [[광섬유]]에 적용한다. * [[레이저]] 광학 (Laser Optics): Laser공명기에 관한 Scalar이론과 레이저 동역학에 관한 비선형 미분방정식을 유도하고, Q-Switching, Mode-Locking, Laser증폭기에 관한 이론을 다룬다. * 렌즈 설계 (Lens Design): 수차, 광학계평가, Spot Diagram, MTF와 OTF, 광선추적, 감쇠 [[OLS|최소자승법]] 등의 [[최적화]] 기법, Merit Function, 광학유리특성, 그리고 렌즈 설계 Software를 이용한 설계 실습을 다룬다.[* 사실상 기하광학에 가깝기 때문에, 프로그램을 다루는 것을 중점적으로 배우게 되는데 이곳에서 설명하는 software 는 사실상 Zemax 를 말한다고 보아도 좋다.] * 비선형광학 (Non-Linear Optics): 레이저 광속을 이용하는 Harmonic Generation, Sum Frequency및 Difference Frequency Generation, Parametric Frequency Generation, Four Wave Mixing, Hole-Burning Spectroscopy와 Polarization Spectroscopy의 비선형 광학적 원리. * [[양자광학]] (Quantum Optics): 빛의 양자성격에 관한 실험적인 사실과 그 결과를 체계화한 이론. * 통계광학 (Statistical Optics): 응용[[확률론]], Stochastic Processes, 빛의 가간섭성, Van Cittert-Zernike Theorem, 레이저 스펙클과 그 응용, Photoelectric Detection * [[홀로그래피]] 및 회절광학 (Holography and Diffractive Optics): 홀로그래피, 감광물질, 홀로그래픽 회절격자, 표면양각 회절격자등의 전자기 이론, 회절광학소자(DOE, Diffractive Optical Elements), Binary Optics, DOE를 포함하는 광학 시스템 설계, Computer-Generated Holography 등 == 응용 분야 == * 의광학: 빛이 인체 조직을 만나며 투과, 반사, 산란 등의 현상을 일으키는 점에 착안하여 의료 진단 장비 개발에 응용하는, 최근에 등장한 분야이다. 일례로 [[적외선]]을 이용해 혈류 변화를 관할하는 [[NIRS]]가 있다. 그보다 더 쉬운 예는 바로 [[내시경]]과 [[현미경]]. == 관련 문서 == * [[광공학과]] * [[물리학]] * [[전자기학]] * [[양자역학]] * [[상대성 이론]] * [[빛]] * [[프리즘]] * [[편광]] * [[파동]] * [[카메라]] * [[렌즈]] [[분류:물리학의 하위 학문]]