간섭계
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干涉計
레이저를 이용한 간섭계로 가장 대표적인 간섭계이다. 반도체 검사, 플라즈마 진단(Plasma Diagnostics)부터 중력파 검출까지 다양한 분야에서 사용된다.
천문학에서는 전파 망원경이 전파 간섭계의 원리를 이용하여 VLBI(초장거리 간섭계)를 구축하기도 한다.
입자의 물질파를 이용한 간섭계이다. 보통 보스-아인슈타인 응집 상태인 초저온 원자를 이용하지만 전자 등도 사용할 수 있다. 원자를 사용하는 간섭계는 원자 간섭계라고 하며 차세대 소형 중력파 감지기나 초정밀 관성항법 등의 응용 분야가 연구 중이다.
2016년 초 중력파를 관측한 LIGO의 대략적인 구조를 나타낸 그림.
1. 개요
干涉計
간섭계란 빛의 간섭 현상을 이용하여 변위를 측정하는 광학계를 뜻한다. [1] 아래에 서술되어 있듯 빛의 파장을 기준 단위로 사용하기 때문에 그만큼 정밀하지만, 그만큼 설계하기 복잡하고 외부 환경에 민감하게 반응한다는 단점이 있어 초정밀 측정을 요구하는 특수한 경우에 주로 사용한다.
2016년 초에 중력파를 발견한 LIGO 역시 간섭계를 이용한 검출 장치이다. LIGO의 정밀도를 우리가 알 수 있는 스케일로 비유하면 태양계 사이에 있는 바이러스 하나를 검출할 정도의 정밀함이라고 한다.
1.1. 기본 구조
아래의 그림은 가장 많이 알려진 간섭계 중 하나인 마이컬슨-몰리 간섭계.
[image]하나의 빛을 빔 스플리터를 이용해 신호광(Probe Beam)과 기준광(Reference Beam)으로 나누고 서로 다른 경로를 통과하게끔[2] 한 다음, 두 개의 광다이오드를 이용하여 두 빛의 신호를 각각 받는다. 이 때 신호광의 경로가 측정 대상[3]에 의해 변화할 경우 신호광과 기준광 사이의 경로 차이에 의하여 간섭을 일으키게 되며, 이를 분석하면 측정하고자 하는 값을 알 수 있게 된다.
1.2. 장점
우리가 거리를 재고자 할 때 자를 쓰는 이유는 어떠한 기준 단위가 필요하기 때문인데, 간섭계가 정밀한 이유는 바로 전자기파의 파장을 기준 단위로 사용하기 때문이다. 또한 측정에 간섭 현상을 이용하므로 광학계 자체만으로는 이론 상의 측정 한계가 존재하지 않는다[4]. 즉, 최대 측정 한계는 검출 시스템, 즉 광다이오드의 측정 한계와 동일하다[5][6][7].
1.3. 단점
위 그림만 봐도 알 수 있겠지만, 최소한으로 설계해도 광학계 자체가 크고 복잡하다. 여기에 복잡한 측정 시스템까지 결합한다면 그야말로 웰컴 투 헬. 따라서 여러 가지 환경 요인에 의해 노이즈가 많이 끼므로 광학계를 단순화하기 위한 기술 및 노이즈를 제거하기 위한 기술에 초점을 맞추게 된다.
2. 종류
2.1. 신호 해석 방식에 따른 분류
2.1.1. 호모다인 간섭계
기준광과 신호광 사이의 주파수 차이를 주지 않는 방식.
2.1.2. 헤테로다인 간섭계
기준광과 신호광 사이에 미약한 주파수 차이를 주어 맥놀이 현상을 일으키는 방식.
2.2. 설계에 따른 분류
광학계의 설계를 어떻게 했느냐에 따른 분류이다. 현재 주로 사용하는 간섭계들은 다음과 같다.
2.2.1. 마이컬슨-몰리 간섭계
2.2.2. 마하-젠더 간섭계
2.2.3. 파브리-페로 간섭계
2.3. 파동의 종류에 따른 분류
2.3.1. 레이저 간섭계
레이저를 이용한 간섭계로 가장 대표적인 간섭계이다. 반도체 검사, 플라즈마 진단(Plasma Diagnostics)부터 중력파 검출까지 다양한 분야에서 사용된다.
2.3.2. 마이크로파 간섭계
천문학에서는 전파 망원경이 전파 간섭계의 원리를 이용하여 VLBI(초장거리 간섭계)를 구축하기도 한다.
2.3.3. 물질파 간섭계
입자의 물질파를 이용한 간섭계이다. 보통 보스-아인슈타인 응집 상태인 초저온 원자를 이용하지만 전자 등도 사용할 수 있다. 원자를 사용하는 간섭계는 원자 간섭계라고 하며 차세대 소형 중력파 감지기나 초정밀 관성항법 등의 응용 분야가 연구 중이다.
3. 매체에서 등장
- 도미네이션즈에서 장기선간섭계가 우주 시대의 불가사의로 등장한다.
[1] 간섭계의 폭넓은 응용 범위를 생각하면 단순히 변위를 측정한다는 설명만으로는 부족하지만, 기본적인 원리는 같기 때문에 이와 같이 서술한다.[2] 단, 위상의 차이를 검지하기 위해 경로의 길이는 서로 같아야 한다.[3] 측정 대상에 따라 경로차가 생기는 원인이 다르기 때문에 간단하게 설명하기 어렵다. 가령 어떤 샘플의 굴절률을 측정하는 경우 신호광이 지나가는 경로에 샘플을 놓고 투과시킨다. 이 경우 공기와 샘플의 굴절률 차이에 의해 빛의 속도가 줄어들면서 그만큼의 경로차가 생긴다.[4] 잘 이해가 가지 않는다면, 광학 현미경이 반파장 이하의 해상도를 가질 수 없는 점을 상기해 보자. 이는 광학계의 한계다. 그러나 간섭계는 간섭 현상을 이용해 미세한 위상 차이를 검출하는 방식이므로 이것이 존재하지 않는다.[5] 불확정성 원리에 의한 간섭계의 최종적인 측정 한계는 Quantum Shot Noise가 아닌 Heisenberg Limit이다. QSN은 양자 얽힘을 이용한 측정으로 극복하는 것이 가능하다. 이미징 분야에서는 Single Photon 방법을 사용할수도 있고.[6] 실제로는 여러 가지 환경적인 요인에 의한 노이즈가 생기기 때문에 이보다는 높다.[7] 단, 이는 간섭계를 이용한 측정 시스템의 한계다. 간섭계 자체의 측정 한계는 현존하는 기술로도 이론값에 거의 근접한다.