간섭계 (마이컬슨 간섭계)

마이컬슨 간섭계의 핵심 구성 요소는 광원과 빔 스플리터이다. 간섭계는 단일 광원에서 나온 빛을 두 개의 경로로 나눈 후 다시 합쳐 간섭 현상을 일으키는 장치이므로, 이 두 요소의 역할이 매우 중요하다.

광원은 일반적으로 단색성과 간섭성이 좋은 레이저를 사용한다. 초기의 실험에서는 나트륨 램프와 같은 단색광원을 사용했으나, 현대에는 헬륨-네온 레이저와 같은 코히런트 광원이 주로 쓰인다. 레이저는 파장이 일정하고 위상이 잘 맞춰진 빛을 제공하여 선명한 간섭 무늬를 얻는 데 필수적이다.

빔 스플리터는 빛을 반사와 투과의 두 경로로 분리하는 부분 반사경이다. 일반적으로 얇은 유리판 한쪽 면에 알루미늄이나 은과 같은 금속을 매우 얇게 코팅하여 만들어지며, 입사광의 약 50%는 반사시키고 나머지 50%는 투과시킨다. 이렇게 분리된 두 빔은 각기 다른 경로를 따라 이동한 후, 다시 빔 스플리터에서 합성되어 간섭을 일으킨다. 빔 스플리터의 정밀도와 코팅의 균일성은 간섭 무늬의 품질에 직접적인 영향을 미친다.

마이컬슨 간섭계의 핵심 구성 요소는 두 개의 평면 거울과 하나의 보상판이다. 두 거울은 일반적으로 M1과 M2로 표시되며, 서로 수직으로 배치된다. M1은 정밀한 마이크로미터 나사를 통해 광축 방향으로 미세하게 이동할 수 있는 가동 거울이다. M2는 고정된 참조 거울이다. 빔 스플리터에서 반사된 빔은 M1을 향하고, 투과된 빔은 M2를 향해 진행한다. 두 빔은 각각의 거울에서 반사되어 다시 빔 스플리터로 되돌아온다. 이때, 빔 스플리터를 통과하거나 반사되면서 두 빔은 합쳐져 간섭을 일으킨다.

두 빔이 이동하는 경로, 즉 광경로의 차이가 간섭 무늬를 결정한다. M1에서 반사되어 돌아오는 빔의 경로 길이와 M2에서 반사되어 돌아오는 빔의 경로 길이 사이의 차이를 광로차라고 한다. 광로차가 빛의 파장의 정수배일 때는 보강 간섭이, 반정수배일 때는 상쇄 간섭이 발생한다. M1 거울을 미세하게 이동시키면 이 광로차가 변화하여 간섭 무늬가 이동하는 것을 관찰할 수 있다. M1을 파장의 1/4만큼 이동시키면 광로차는 파장의 1/2만큼 변화한다[2]. 이는 간섭 무늬가 한 개의 밝은 띠에서 다음 밝은 띠로 이동하는 것에 해당한다.

이러한 두 개의 수직 광경로 구성은 외부의 진동이나 온도 변화에 의해 두 경로가 동시에 영향을 받도록 설계되었다. 이는 간섭계의 안정성을 높이는 데 기여한다. 광로차의 정밀한 제어와 측정을 통해, 마이컬슨 간섭계는 극미한 길이 변화나 매질의 굴절률 차이를 검출할 수 있다.

빔 스플리터를 통과한 두 광선은 각각 고정된 거울과 이동 가능한 거울에 반사되어 다시 빔 스플리터로 돌아온다. 이때 두 광선은 다시 합쳐져 단일 광선이 되어 스크린이나 검출기로 향한다.

두 광선이 다시 만날 때, 각 광선이 이동한 광경로의 길이 차이, 즉 광로차에 따라 간섭 현상이 발생한다. 광로차가 파장의 정수배일 때는 보강 간섭이, 반정수배일 때는 상쇄 간섭이 일어난다. 이로 인해 스크린에는 밝고 어두운 띠가 교대로 나타나는 간섭 무늬가 관측된다.

간섭 무늬의 모양은 두 광선이 만나는 각도와 광로차에 의해 결정된다. 일반적으로 두 광선이 거의 평행하게 만날 때는 평행한 직선 모양의 띠가, 약간의 각도를 가지고 만날 때는 원형 또는 타원형의 띠가 생성된다. 무늬의 간격은 사용하는 빛의 파장과 광로차의 변화율에 비례한다.

이 간섭 무늬는 매우 민감한 지표 역할을 한다. 이동 거울을 미세하게 움직여 광로차를 변화시키면, 간섭 무늬가 스크린 위를 이동하는 것을 관찰할 수 있다. 무늬가 한 개의 띠만큼 이동하는 것은 광로차가 정확히 한 파장만큼 변화했음을 의미한다. 이를 통해 파장의 수백만 분의 일 수준의 미세한 길이 변화도 정밀하게 측정할 수 있다[4].

마이컬슨 간섭계는 광파의 간섭 현상을 이용하여 극도로 정밀한 길이와 변위를 측정하는 데 널리 사용된다. 이 측정의 핵심 원리는 두 광로 사이의 광경로차가 발생할 때 관찰되는 간섭 무늬의 이동이다. 시료나 측정 대상이 한쪽 광로의 거울에 부착되어 움직이면, 그 이동 거리의 두 배만큼 광경로차가 변화한다. 이 변화는 간섭 무늬가 밝은 띠에서 어두운 띠로, 또는 그 반대로 이동하는 것으로 관측된다. 무늬가 한 개의 띠 간격만큼 이동하는 것은 광경로차가 파장의 절반(λ/2)만큼 변했음을 의미한다. 따라서, 측정된 무늬 이동 횟수(N)에 파장(λ)을 곱하고 2로 나누면 실제 변위(ΔL = N * λ / 2)를 계산할 수 있다.

이 방법의 정밀도는 사용하는 광원의 파장 안정성에 직접적으로 의존한다. 일반적인 헬륨-네온 레이저의 파장(약 632.8 nm)을 사용하면, 이론적으로 나노미터(10⁻⁹ m) 수준의 변위를 검출할 수 있다. 더 안정된 단일주파수 레이저나 주파수 안정화 기술을 적용하면, 피코미터(10⁻¹² m) 수준의 정밀도까지 달성 가능하다[5]. 이러한 높은 정밀도 덕분에 마이컬슨 간섭계는 현대 정밀 공학과 계측학의 핵심 도구로 자리 잡았다.

주요 응용 분야는 다음과 같이 구분할 수 있다.

이러한 측정을 위해 현대의 간섭계 시스템은 광전 검출기와 신호 처리 회로를 결합하여 간섭 무늬의 이동을 전기 신호로 변환하고, 컴퓨터를 통해 실시간으로 데이터를 수집 및 분석한다.

굴절률은 투명한 매질이 빛을 굴절시키는 정도를 나타내는 물질의 고유한 상수이다. 마이컬슨 간섭계는 이 굴절률을 매우 정밀하게 측정하는 데 활용된다. 측정 원리는 간섭계의 한 팔에 시료 셀을 설치하고, 그 안에 측정하려는 기체나 액체를 채우는 것이다. 시료가 들어가면 그 매질 내부를 통과하는 빛의 광경로 길이가 변화하게 되고, 이는 광로차를 발생시켜 간섭 무늬의 이동을 유발한다.

간섭 무늬의 이동량을 정밀하게 측정함으로써, 시료 매질에 의한 광속의 감소, 즉 위상 지연을 계산할 수 있다. 이 위상 지연은 매질의 굴절률과 직접적인 관계가 있다. 무늬가 이동한 간격 수(N), 빛의 진공 중 파장(λ0), 그리고 시료 셀의 물리적 길이(L)를 알면, 굴절률(n)은 n = 1 + (N * λ0) / (2L)과 같은 관계식으로 구할 수 있다[7].

이 방법의 가장 큰 장점은 절대적인 길이 측정이 아닌, 간섭 무늬의 상대적 이동을 측정하기 때문에 매우 높은 정밀도를 달성할 수 있다는 점이다. 따라서 공기나 다른 기체의 굴절률 변화를 감지하여, 그 조성이나 압력, 온도의 미세한 변화를 추적하는 데에도 사용된다. 예를 들어, 진공 시스템의 압력 측정이나 대기 중 이산화탄소 농도 모니터링 등에 응용된다.

마이컬슨 간섭계는 광학 부품의 표면 정밀도, 평탄도, 형태 오차를 평가하는 데 매우 효과적인 도구이다. 간섭계를 이용한 광학 테스트는 비접촉 방식으로 높은 정밀도의 측정이 가능하며, 특히 광학 평면이나 구면 거울 같은 정밀 광학 요소의 품질 검증에 널리 사용된다.

가장 일반적인 응용은 평면도 측정이다. 기준 평면 거울과 시험편을 간섭계의 두 광로에 각각 배치하고 간섭 무늬를 관찰한다. 시험편 표면에 요철이 있으면 광로 차이가 발생하여 간섭 무늬가 휘거나 고리 모양으로 나타난다. 이 무늬의 패턴을 분석하여 표면의 국소적 기울기 오차와 전체적인 평탄도 편차를 정량적으로 계산해낼 수 있다. 이 방법은 렌즈의 구면 수차를 평가하거나, 반사경의 표면 형상을 검증하는 데도 적용된다.

또한 간섭계는 광학 재료의 균일성을 측정하는 데 사용된다. 투명한 유리나 결정 시편을 광로 중 하나에 삽입하면, 재료 내부의 굴절률 분포 불균일로 인해 광로 차이가 발생한다. 이로 인해 생성되는 간섭 무늬 패턴을 통해 재료의 광학적 품질을 평가할 수 있다. 이는 고정밀 렌즈나 프리즘 제조에 필수적인 공정이다. 현대에는 위상 측정 간섭법과 컴퓨터 분석을 결합하여, 나노미터 수준의 표면 형상 맵을 실시간으로 생성하는 시스템이 보편화되었다.

마이컬슨-몰리 실험의 주요 목적은 에테르의 존재를 검증하고, 지구가 정지된 에테르 바다 속을 운동할 때 발생할 것으로 예측된 에테르 바람을 검출하는 것이었다. 당시 널리 받아들여지던 에테르 가설에 따르면, 빛은 에테르라는 매질을 통해 전파되는 파동이었다. 따라서 지구가 공전 속도로 에테르 속을 이동한다면, 빛의 속도는 진행 방향에 따라 달라져 관측 가능한 효과를 만들어낼 것으로 예상되었다.

실험 장치는 기본적인 마이컬슨 간섭계 구조를 바탕으로 구성되었다. 단색 광원에서 나온 빛은 빔 스플리터에 의해 두 개의 수직한 광선으로 나뉘었다. 이 두 광선은 각각 일정한 거리를 이동한 후, 끝에 설치된 거울에 의해 반사되어 다시 빔 스플리터로 되돌아와 재결합하여 간섭 무늬를 생성했다. 전체 장치는 수평으로 회전할 수 있는 무거운 돌판 위에 고정되어, 지구의 운동 방향에 대한 간섭계의 방향을 바꿀 수 있도록 설계되었다.

실험의 핵심 구성 요소와 예상되는 효과는 다음과 같았다.

실험은 간섭계를 서로 다른 방향으로 회전시키면서 정밀하게 조정된 간섭 무늬의 위치를 관측하는 방식으로 진행되었다. 만약 에테르 바람이 존재한다면, 간섭계의 방향에 따라 두 빛의 광로 길이에 미세한 차이가 생겨, 회전 시 간섭 무늬가 명확하게 이동하는 것이 관측되어야 했다. 이 실험은 당시 기술로는 검출하기 어려운 매우 작은 효과를 측정하기 위해, 높은 정밀도와 안정성을 확보하는 데 중점을 두고 설계되었다.

마이컬슨-몰리 실험의 결과는 예상과 달랐다. 지구의 운동 방향에 따른 광속의 차이, 즉 에테르 바람의 효과가 관측되지 않았으며, 간섭 무늬의 이동은 실험의 오차 범위 내에 머물렀다. 이 '널리 알려진 부정적 결과'는 당시 물리학계에 큰 충격을 주었다.

이 실험 결과는 고전 물리학의 근간이었던 절대적 공간 개념인 에테르의 존재를 강력히 부정하는 증거가 되었다. 이는 결국 알베르트 아인슈타인이 1905년 발표한 특수 상대성 이론의 중요한 실험적 기초를 제공했다. 특수 상대성 이론은 빛의 속도가 모든 관성계에서 불변임을 가정함으로써 마이컬슨-몰리 실험의 결과를 자연스럽게 설명했다.

마이컬슨-몰리 실험의 의의는 단순히 한 이론의 부정을 넘어선다. 이 실험은 높은 정밀도를 요구하는 실험 기술의 발전에 크게 기여했으며, 이후 간섭계를 이용한 정밀 측정의 가능성을 널리 보여주었다. 또한, 이 실험은 '결과가 기대에 부응하지 않더라도' 과학적 탐구의 가치를 증명한 상징적인 사례로 남아 있다.

트와이먼-그린 간섭계는 마이컬슨 간섭계의 변형 중 하나로, 특히 광학 부품의 평면도나 굴절률 균일성을 정밀하게 측정하는 데 특화된 장치이다. 이 간섭계는 1916년 프랭크 트와이먼(Frank Twyman)과 아서 그린(Arthur Green)에 의해 발명되었다. 마이컬슨 간섭계가 확산된 광원을 사용하는 반면, 트와이먼-그린 간섭계는 단색의 평행광을 사용한다는 점이 가장 큰 차이점이다.

트와이먼-그린 간섭계의 기본 구조는 다음과 같다. 단색 레이저와 같은 점 광원과 콜리메이터 렌즈를 결합하여 평행광을 생성한다. 이 평행광은 빔 스플리터에 입사되어 두 개의 광속으로 나뉜다. 한 광속은 고정된 기준 거울로, 다른 광속은 시험하고자 하는 광학 부품(예: 렌즈, 프리즘)을 통과한 후 반사 거울로 향한다. 두 광속이 다시 빔 스플리터에서 합쳐지면 간섭 무늬를 형성한다.

이 간섭계의 핵심 응용 분야는 광학 시스템의 결함 검사이다. 시험 부품에 결함이 없으면 균일한 간섭 무늬(평탄한 무늬)가 관측된다. 반면, 부품에 굴절률 불균일이나 표면 변형이 있으면, 그 결함에 비례하여 간섭 무늬가 휘거나 굽은 모양으로 나타난다. 이를 통해 정성적 및 정량적으로 결함을 분석할 수 있다. 주요 검사 대상은 다음과 같다.

트와이먼-그린 간섭계는 공간 간섭성 요구 사항이 낮고, 평행광을 사용함으로써 광학 경로의 정렬이 비교적 용이하다는 장점이 있다. 이로 인해 광학 공장과 연구실에서 고정밀 광학 부품의 품질 관리와 파면 측정에 널리 사용된다. 현대에는 CCD 카메라와 컴퓨터 분석 소프트웨어와 결합하여 자동화된 측정 시스템으로 발전하였다.

마하-젠더 간섭계는 두 개의 빔 스플리터와 두 개의 거울을 사용하여 빛의 경로를 완전히 분리하는 구조를 가진다. 이 간섭계는 일반적으로 사각형 또는 마름모꼴의 광경로를 형성한다. 첫 번째 빔 스플리터에서 입사광은 두 개의 광선으로 나뉘며, 각 광선은 별도의 경로를 따라 진행한 후 두 번째 빔 스플리터에서 다시 합쳐져 간섭을 일으킨다.

이 설계의 핵심 특징은 시료를 두 개의 분리된 빔 중 하나의 경로에 배치할 수 있다는 점이다. 시료에 의한 굴절률 변화나 두께 차이는 광경로 차이를 발생시켜 간섭 무늬의 변화로 나타난다. 따라서 이 간섭계는 유체 흐름, 플라즈마, 가스 등의 물리적 특성 변화를 비접촉식으로 측정하는 데 매우 적합하다.

마하-젠더 간섭계는 주로 유체 역학과 플라즈마 물리학 연구에서 널리 사용된다. 예를 들어, 풍동 실험에서 공기 흐름의 밀도 변화를 시각화하거나, 초고속 현상 분석에 응용된다. 또한, 광섬유 기술과 결합하여 변형된 형태의 섬유형 마하-젠더 간섭계는 온도, 압력, 변형률 등의 고감도 센서로 개발되었다.

다음 표는 마이컬슨 간섭계와 마하-젠더 간섭계의 주요 구조적 차이를 보여준다.