빛의 간섭 (영의 이중 슬릿 실험)

1801년, 토마스 영은 빛의 본질에 대한 논쟁에 결정적인 증거를 제시하기 위해 간단하면서도 정교한 실험을 설계했다. 당시 아이작 뉴턴의 영향으로 빛이 입자(광입자)라는 입자설이 지배적이었으나, 토마스 영은 빛이 파동이라는 파동설을 지지했다.

그의 실험 장치는 단일 광원 앞에 불투명한 판에 두 개의 매우 가까운 평행한 좁은 틈(슬릿)을 뚫은 것을 핵심으로 했다. 단일 슬릿을 통과한 빛은 두 개의 슬릿에 도달하여 각각의 슬릿을 새로운 파동의 근원점으로 만들었다. 이 두 개의 파동은 서로 겹쳐져 반대편 스크린에 명암이 교차하는 줄무늬를 형성했다. 이 무늬는 보강 간섭으로 인한 밝은 띠와 상쇄 간섭으로 인한 어두운 띠가 규칙적으로 배열된 것이었다.

이 간섭 무늬의 존재는 빛이 파동의 성질을 가졌음을 강력히 시사했다. 만약 빛이 단순한 입자流였다면, 스크린에는 단지 두 개의 밝은 띠만 나타났을 것이다. 그러나 실제로 관측된 여러 개의 띠는 두 슬릿을 통과한 파동이 서로 만나 위상에 따라 에너지를 보강하거나 상쇄하는, 즉 간섭 현상을 일으켰기 때문에 설명이 가능했다. 토마스 영은 이 실험을 통해 빛의 파장을 정량적으로 측정할 수도 있었다.

이 실험 결과는 영의 이중 슬릿 실험으로 불리며, 빛의 파동설을 부활시키는 결정적 계기가 되었다. 이후 오귀스탱 장 프레넬 등의 연구자들이 이 실험을 더욱 정교화하고 이론화하면서 빛의 파동성은 확고한 과학적 사실로 자리 잡게 되었다.

토마스 영의 이중 슬릿 실험은 빛의 파동설을 결정적으로 지지하는 증거로 받아들여졌다. 당시 지배적이던 아이작 뉴턴의 입자설은 빛이 직진하는 입자 흐름이라고 주장했으나, 이 실험에서 관찰된 정교한 간섭 무늬는 입자 모델로는 설명하기 어려웠다. 두 개의 슬릿을 통과한 빛이 서로 겹쳐져 밝은 부분과 어두운 부분이 교대로 나타나는 현상은, 마치 물결파가 서로 보강하거나 상쇄되는 것과 유사했기 때문이다.

이 실험 결과는 19세기 초 과학계에 큰 파장을 일으켰고, 오귀스탱 장 프레넬과 같은 물리학자들이 이론을 더욱 정교화하는 데 기여했다. 프레넬은 휘게네스-프레넬 원리를 바탕으로 간섭과 회절 현상을 수학적으로 엄밀하게 설명했으며, 빛이 횡파라는 점도 밝혀냈다[2]. 이러한 노력으로 빛의 파동성은 확고한 이론적 근거를 갖추게 되었다.

19세기 중후반, 제임스 클러크 맥스웰이 전자기학 이론을 완성하면서 빛의 정체는 전자기파라는 결론에 도달했다. 맥스웰 방정식은 빛이 전기장과 자기장의 파동이며, 그 속도가 계산값과 실측값이 일치함을 보여주었다. 이로써 빛의 파동설은 단순한 현상 설명을 넘어서 전자기 이론의 핵심으로 자리 잡게 되었다.

영의 이중 슬릿 실험의 핵심은 하나의 파면을 두 개의 일관된(coherent) 파동원으로 분할하는 것이다. 이 과정은 실험 장치의 첫 번째 구성 요소인 단일 슬릿에 의해 이루어진다. 좁은 단일 슬릿에 평행한 빛을 비추면, 슬릿의 폭이 빛의 파장에 비해 충분히 좁을 경우 회절이 발생하여 슬릿을 통과한 빛은 구면파 형태로 퍼져 나간다. 이때 슬릿 전체가 하나의 새로운 파동원 역할을 하게 되며, 이 파동은 실질적으로 하나의 파면을 형성한다.

이렇게 생성된 하나의 파면은 바로 뒤에 놓인 두 개의 평행한 슬릿(이중 슬릿)에 도달한다. 두 슬릿은 첫 번째 단일 슬릿으로부터 나온 동일한 파면의 서로 다른 두 부분을 통과시킨다. 결과적으로, 두 슬릿은 동일한 위상을 가지며, 동일한 주파수로 진동하는 두 개의 새로운 구면파 파동원이 된다. 이 두 파동원은 서로 간섭이 가능한, 즉 위상 관계가 고정된 일관된 파동을 방출한다. 파면 분할 방식을 통한 일관성 확보는 영의 실험이 성공할 수 있었던 가장 중요한 이유 중 하나이다.

이 원리는 단순히 빛의 파동성을 보여주는 데 그치지 않는다. 파면을 분할하여 두 개의 동일한 파동을 만들어내는 이 개념은 이후 다양한 간섭계의 기본 작동 원리가 되었다.

두 개의 슬릿 S1과 S2에서 나온 빛이 스크린의 한 점 P에 도달할 때, 각 슬릿으로부터의 거리가 다르면 두 파동 사이에 경로 차이가 생긴다. 이 경로 차이는 두 파동의 위상 차이를 결정하는 핵심 요소이다.

경로 차이(ΔL)는 두 슬릿에서 점 P까지의 거리 차이, 즉 L₂ - L₁으로 정의된다. 이 거리 차이가 빛의 파장 λ와 특정한 관계를 가질 때, 두 파동은 서로 보강하거나 상쇄되어 간섭 무늬를 만든다. 경로 차이와 위상차(ΔΦ)는 다음과 같은 관계를 가진다.

여기서 m은 0 또는 양의 정수인 간섭 차수이다. 위상차는 경로 차이에 2π/λ를 곱하여 계산된다(ΔΦ = (2π/λ) * ΔL). 즉, 경로 차이가 파장의 정수배이면 두 파동은 같은 위상을 가지며 보강 간섭을 일으키고, 경로 차이가 파장의 반정수배(1/2, 3/2, ...)이면 위상차가 π가 되어 정반대의 위상을 가지게 되어 상쇄 간섭을 일으킨다.

실험에서 슬릿 간격 d와 스크린까지의 거리 D가 파장에 비해 매우 크다는 근사(D >> d)를 적용하면, 경로 차이는 ΔL ≈ d sin θ로 간단히 표현된다. 여기서 θ는 스크린 중심에서 점 P를 바라보는 각도이다. 이 관계식을 통해 간섭 무늬의 위치를 쉽게 계산할 수 있다.

두 슬릿을 통과한 두 개의 광파가 스크린에 도달할 때, 그 위상 차이에 따라 서로 보강하거나 상쇄하여 밝고 어두운 무늬를 만든다. 이 위상차는 두 광로의 경로 차이에 의해 결정된다.

보강 간섭(밝은 무늬)은 두 파동의 마루와 마루, 또는 골과 골이 만나 진폭이 더해질 때 발생한다. 이 조건은 두 광로의 경로 차이가 파장의 정수배일 때 만족된다. 즉, 경로 차이가 0, λ, 2λ, 3λ...일 때이다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다.

상쇄 간섭(어두운 무늬)은 한 파동의 마루와 다른 파동의 골이 만나 서로 상쇄될 때 발생한다. 이 조건은 경로 차이가 파장의 1/2의 홀수배일 때 만족된다. 즉, 경로 차이가 λ/2, 3λ/2, 5λ/2...일 때이다.

여기서 정수 m은 간섭 차수라고 부르며, 중앙의 가장 밝은 무늬를 0차(m=0)로 한다. 이 조건은 슬릿과 스크린 사이의 거리가 슬릿 간격에 비해 매우 크다는 근사 하에 성립한다. 또한, 사용하는 빛의 단색성이 높을수록 뚜렷한 간섭 무늬가 관찰된다.

실험을 수행하기 위해 필요한 핵심 장비는 레이저, 슬릿, 스크린, 그리고 이들을 고정하고 정렬할 수 있는 광학대와 지지대이다.

주 광원으로는 단색성과 간섭성이 매우 뛰어난 헬륨-네온 레이저가 흔히 사용된다. 레이저는 직진성이 좋아 슬릿에 정확하게 조사할 수 있으며, 강한 밝기로 인해 스크린에 선명한 간섭 무늬를 만들어낸다. 슬릿은 일반적으로 얇은 금속판에 매우 가늘고 평행하게 새겨진 두 개의 틈으로 구성된다. 슬릿의 폭과 두 슬릿 사이의 거리는 실험 결과에 직접적인 영향을 미치는 핵변수이다. 스크린은 간섭 무늬를 관찰하는 면으로, 흰색 벽이나 종이, 또는 광학용 백색 스크린이 사용된다.

이들 장비를 정확하게 정렬하는 것이 매우 중요하다. 레이저 빔은 이중 슬릿의 중심을 정확히 통과해야 하며, 슬릿과 스크린은 서로 평행하게 설치되어야 한다. 정렬이 불완전하면 간섭 무늬가 비뚤어지거나 흐려질 수 있다. 또한, 실험 환경의 진동을 최소화하기 위해 견고한 테이블 위에서 실험을 진행하는 것이 바람직하다.

실험은 단색광을 사용하는 것이 일반적이며, 레이저가 가장 이상적인 광원이다. 레이저의 높은 간섭성과 단색성으로 인해 선명한 간섭 무늬를 얻을 수 있다. 광원이 없다면 나트륨 램프나 필터를 통해 단색광을 만들어 사용할 수도 있다.

실험 준비는 다음과 같은 순서로 진행된다. 먼저, 광원과 이중 슬릿, 스크린을 일직선상에 배치한다. 광원과 슬릿 사이의 거리(L1), 슬릿과 스크린 사이의 거리(L2)를 측정한다. 슬릿의 폭(a)과 두 슬릿 사이의 간격(d)은 제작사에서 제공하는 값을 사용하거나, 현미경을 이용한 간접 측정법으로 확인한다. 광원을 켜고 슬릿을 정확히 통과하도록 조정한 후, 스크린에 명확한 간섭 무늬가 나타나는지 확인한다.

데이터 측정 시에는 스크린에 나타난 간섭 무늬의 중앙 극대를 기준으로, 양쪽에 위치한 제1차, 제2차 보강 간섭 무늬(밝은 줄) 사이의 거리를 측정하여 무늬 간격(Δx)을 구한다. 또는 여러 개의 밝은 무늬 위치를 정확히 기록하여 평균값을 계산한다. 실험이 끝나면 측정한 Δx, L2, d 값을 간섭 조건 공식(Δx = λL2 / d)에 대입하여 사용한 빛의 파장(λ)을 계산해 볼 수 있다.

간섭 무늬의 밝기 분포는 스크린 상의 위치에 따라 정해지는 광 강도로 표현된다. 이 강도는 두 슬릿을 통과한 빛의 전기장이 중첩된 결과이며, 그 크기는 위상차에 의존한다. 두 파동의 경로 차이가 δ일 때, 위상차 φ는 φ = (2π/λ) * δ 로 주어진다. 여기서 λ는 빛의 파장이다.

결과적인 합성 광 강도 I는 다음 공식으로 계산된다.

I = I₀ cos²(φ/2) = I₀ cos²(πd sinθ / λ)

여기서 I₀는 각 슬릿이 단독으로 만들어내는 최대 강도, d는 두 슬릿 사이의 거리, θ는 스크린 중심에서 측정한 각도이다. 이 공식은 두 슬릿에서 나온 빛의 진폭이 같을 때 성립한다.

이 공식에 따르면, 간섭 무늬의 강도는 cos² 함수 형태로 부드럽게 변화한다. 따라서 밝은 띠 사이에는 완전한 암부가 존재하지 않고, 강도가 0에서 I₀ 사이를 연속적으로 변화하는 패턴을 보인다. 이는 단일 슬릿 회절에 의한 강도 변조를 고려하지 않은 이상적인 경우의 분포이다. 실제 실험에서는 각 슬릿의 유한한 폭으로 인한 회절 효과가 중첩되어, 간섭 무늬 전체가 단일 슬릿 회절 패턴의 포락선 안에 나타난다.

간섭 무늬의 간격, 특히 인접한 밝은 무늬(보강 간섭) 사이의 거리는 실험 조건에 따라 결정된다. 이 간격은 보통 Δy로 표시하며, 스크린에서 관측되는 무늬의 분리 정도를 나타낸다.

간섭 무늬의 간격 Δy는 다음 공식으로 계산할 수 있다.

Δy = (λL) / d

여기서 각 기호의 의미는 다음과 같다.

이 공식은 몇 가지 근사 조건 하에서 성립한다. 첫째, 스크린까지의 거리 L이 슬릿 간격 d에 비해 매우 커야 한다(L >> d). 둘째, 관측되는 간섭 무늬의 각도가 매우 작아야 한다. 이러한 조건에서 공식은 간단한 기하학적 관계와 삼각함수의 작은 각 근사(sin θ ≈ tan θ ≈ θ)로부터 유도된다.

공식을 분석하면 무늬 간격에 영향을 미치는 요인을 알 수 있다. 빛의 파장 λ가 길수록, 또는 스크린까지의 거리 L이 멀수록 무늬 간격 Δy는 넓어진다. 반대로 두 슬릿 사이의 간격 d가 좁아질수록 무늬 간격은 넓어진다. 예를 들어, 적색광(파장 길다)을 사용할 때보다 청색광(파장 짧다)을 사용하면 더 조밀한 간섭 무늬가 나타난다. 실험에서 무늬 간격을 측정하고 L과 d를 알고 있으면, 이 공식을 역으로 이용하여 빛의 파장 λ를 구할 수 있다. 이는 영의 실험이 파장을 측정하는 도구로도 사용될 수 있음을 보여준다.

간섭 무늬의 간격, 선명도, 형태는 실험 조건에 따라 민감하게 변화한다. 주요 영향 요인으로는 슬릿 사이의 거리(d), 슬릿과 스크린 사이의 거리(L), 사용하는 광원의 파장(λ), 그리고 슬릿의 폭과 수가 있다.

슬릿 간격(d)이 증가하면 간섭 무늬의 간격은 좁아진다. 무늬 간격(Δy)은 Δy = Lλ/d 공식에 비례하므로, d가 커질수록 Δy는 작아져 무늬들이 더 조밀하게 모인다. 반대로 슬릿과 스크린 사이의 거리(L)가 증가하면 무늬 간격은 선형적으로 넓어진다. 슬릿의 폭도 중요한데, 이상적인 무늬를 얻기 위해서는 슬릿 폭이 광파의 파장에 비해 매우 좁아야 한다. 슬릿 폭이 너무 넓으면 각 슬릿 자체에서 발생하는 회절 효과가 강해져 간섭 무늬의 선명도가 떨어진다.

사용하는 빛의 색깔, 즉 파장에 따라 무늬 간격이 달라진다. 파장이 긴 적외선이나 적색광은 파장이 짧은 자외선이나 청색광에 비해 더 넓은 간격의 간섭 무늬를 만든다. 백색광을 사용하면 각 색상별로 무늬 간격이 달라 중앙의 밝은 무늬(영차 무늬)를 제외하고는 스펙트럼이 펼쳐지는 무지개 색의 간섭 띠가 관찰된다. 또한, 광원의 간섭성이 낮으면(예: 두 슬릿을 서로 다른 광원으로 비출 때) 위상 관계가 고정되지 않아 간섭 무늬가 생기지 않거나 매우 흐릿해진다.

토마스 영의 이중 슬릿 실험은 빛이 파동의 성질을 가진다는 결정적인 증거를 제공했다. 당시 뉴턴의 영향으로 지배적이었던 빛의 입자설에 정면으로 도전한 이 실험은, 두 개의 좁은 슬릿을 통과한 빛이 스크린에 명암이 번갈아 나타나는 간섭 무늬를 만드는 것을 보여주었다. 이 현상은 두 슬릿에서 나온 빛의 파동이 서로 겹쳐지면서, 보강 간섭과 상쇄 간섭이 공간적으로 규칙적으로 배열된 결과이다. 파동이 아닌 입자라면 단순히 두 줄의 밝은 선만 나타났을 것이므로, 간섭 무늬의 출현은 빛이 파동으로서의 간섭성을 가진다는 직접적인 증명이었다.

이 실험은 빛의 파동성을 정량적으로 설명하는 데도 성공했다. 무늬의 간격, 위치, 밝기 분포는 파동의 파장과 주파수를 이용한 수학적 모델로 정확히 예측할 수 있었다. 특히, 스크린 상의 특정 지점에서의 밝기는 두 슬릿에서 출발한 빛이 도달할 때의 경로 차이에 따른 위상차로 결정되었다. 경로 차이가 파장의 정수배일 때 보강 간섭이, 반정수배일 때 상쇄 간섭이 일어나 명암이 반복되는 무늬를 형성했다. 이 계산 가능성은 빛의 파동 모델이 단순한 개념이 아니라 정밀한 과학적 이론임을 입증했다.

빛의 파동성 증명은 광학의 패러다임을 근본적으로 바꾸었다. 이후 프레넬 등에 의한 연구가 이어져 회절 현상도 파동 이론으로 설명되면서, 빛의 파동설은 확고한 지위를 얻게 되었다. 이는 단순히 빛의 본성에 대한 논쟁을 종식시킨 것을 넘어, 전자기파 이론의 토대를 마련하는 중요한 계기가 되었다.

영의 이중 슬릿 실험은 빛의 파동성을 명확히 증명한 고전 광학의 결정적 실험이었으나, 20세기 초 양자역학의 등장으로 이 실험은 더욱 깊은 물리적 의미를 지니게 되었다. 이는 빛이 파동과 입자의 이중적 성질을 모두 가진다는 파동-입자 이중성 개념을 검증하는 핵심적인 사례로 재해석되었다.

양자역학적 관점에서, 빛은 하나의 광자라는 에너지 덩어리로 구성된 입자이면서도, 동시에 확률파로 기술되는 파동적 특성을 지닌다. 만약 광원의 세기를 매우 낮춰 한 번에 하나의 광자만이 슬릿을 통과하도록 실험을 수행하면, 광자 하나는 검출기(예: 사진 건판)에 하나의 점으로 기록된다. 이 점들의 분포는 고전적인 파동 간섭과는 무관해 보인다. 그러나 충분히 많은 수의 광자가 축적되면, 놀랍게도 점들의 분포가 고전적인 간섭 무늬와 동일한 밝고 어두운 띠 패턴을 형성한다[5]. 이는 각각의 개별 광자가 어디에 도달할지 그 경로를 확정적으로 예측할 수 없지만, 도달할 확률이 파동 간섭에 의해 결정되는 파동함수에 지배받음을 의미한다. 즉, 각 광자는 마치 두 개의 슬릿을 모두 동시에 통과하는 파동처럼 행동하여 스스로와 간섭한 결과, 특정 위치에 도달할 확률이 높거나 낮아지는 것이다.

이 실험은 관측의 문제를 극명하게 드러낸다. 만약 두 슬릿 중 어느 것을 통해 광자가 지나갔지를 측정하려는 장치를 설치하면, 확률 파동은 붕괴되고 광자는 입자처럼 하나의 경로를 선택하게 된다. 그 결과, 간섭 무늬는 사라지고 두 개의 단일 슬릿에 의한 회절 무늬의 합성된 형태만 관찰된다. 이는 관측 행위가 계의 상태에 영향을 미친다는 양자역학의 근본적인 특성을 보여준다. 따라서 영의 이중 슬릿 실험은 빛의 본성에 대한 탐구를 넘어, 미시세계의 물질과 에너지가 고전 물리학의 직관을 벗어나는 방식으로 행동한다는 양자역학의 기이함을 상징하는 실험으로 자리 잡았다.

간섭계는 빛의 간섭 현상을 이용하여 길이, 굴절률, 표면 형상 등의 물리량을 극도로 정밀하게 측정하는 장치의 총칭이다. 기본 원리는 두 개 이상의 광파를 분리한 후 경로 차이를 발생시켜 다시 합쳐 간섭 무늬를 만들고, 이 무늬의 변화를 측정하는 데 있다. 간섭 무늬의 이동은 광로 차이의 미세한 변화를 반영하며, 이는 파장 단위의 정밀도로 측정이 가능함을 의미한다.

다양한 종류의 간섭계가 개발되었으며, 그 구조와 목적에 따라 구분된다. 대표적인 예는 다음과 같다.

이들 장치는 단순히 길이를 측정하는 것을 넘어서, 중력파 탐지기인 LIGO와 같은 초정밀 과학 장비의 핵심을 이루기도 한다[7]. 또한, 산업 분야에서는 광학 평면의 품질 검사, 렌즈의 수차 분석, 박막의 두께 측정 등에 광범위하게 활용된다. 간섭계 기술은 현대 정밀 광학 및 계측 공학의 기반을 이루는 필수 도구로 자리 잡았다.

빛의 간섭 현상을 활용한 광학 측정 기술은 높은 정밀도를 요구하는 다양한 과학 및 공학 분야에서 핵심적인 역할을 한다. 이 기술들은 영의 이중 슬릿 실험에서 보여준 간섭 무늬의 민감한 변화를 측정에 이용한다. 간섭 무늬는 광로 길이, 위상, 매질의 굴절률 등에 미세한 변화가 생기면 쉽게 이동하거나 변형되므로, 이러한 변화를 정량적으로 측정할 수 있는 기초가 된다.

대표적인 장비인 간섭계는 기준광과 측정광의 경로 차이로 발생하는 간섭 무늬를 분석하여 길이, 변위, 표면 형상, 굴절률 등을 나노미터 수준의 정밀도로 측정한다. 마이켈슨 간섭계는 길이의 표준을 정의하는 데 사용되었으며, 마하젠더 간섭계는 광섬유를 이용한 센서 개발에 응용된다. 또한, 표면의 평탄도나 렌즈의 곡률 반경을 검사하는 데에도 널리 사용된다.

광학 측정 기술의 구체적인 응용 사례는 다음과 같다.

이러한 기술들은 반도체 공정에서의 웨이퍼 검사, 정밀 기계 가공, 천문학의 거대 망원경 제작, 중력파 탐지와 같은 첨단 연구 분야까지 그 영역을 확장하고 있다. 빛의 파동성과 간섭에 기반한 이 측정법은 접촉 없이도 극히 미세한 물리량의 변화를 포착할 수 있어 현대 측정 과학의 근간을 이룬다.

홀로그래피는 빛의 간섭 현상을 이용하여 물체의 3차원 정보를 기록하고 재생하는 기술이다. 일반 사진이 빛의 세기(진폭)만을 기록하는 반면, 홀로그램은 빛의 위상 정보까지 간섭 무늬 형태로 저장한다. 이는 기준광(reference beam)과 물체에서 반사된 물체광(object beam)이 서로 간섭하여 생기는 패턴을 감광 재료에 기록함으로써 이루어진다.

홀로그램을 재생할 때는 기록 시 사용했던 기준광과 동일한 레이저 빛을 홀로그램에 비춘다. 이때 홀로그램에 새겨진 간섭 무늬는 마치 회절 격자처럼 작용하여, 기록된 물체광의 파면을 정확히 재구성한다. 관찰자는 재생된 이 파면을 통해 원래 물체와 구별할 수 없는 3차원 입체 영상을 보게 된다. 이 영상은 시점을 이동시킬 때마다 물체의 다른 측면을 보여주는 진정한 입체감을 제공한다.

이 기술은 예술, 보안(신용카드 홀로그램), 데이터 저장, 그리고 정밀한 3차원 측정 및 분석 분야에 응용된다. 특히 홀로그래피 간섭계는 미세한 변형이나 진동을 측정하는 데 사용된다.

단일 슬릿 회절은 폭이 매우 좁은 하나의 슬릿을 통과한 빛이 퍼져 나가며 스크린에 특정한 밝기 분포를 형성하는 현상이다. 이 현상은 빛이 직진하는 기하광학적 예상과 달리, 슬릿의 폭과 비슷한 크기의 파장을 가진 파동일 때 두드러지게 나타난다. 슬릿의 각 지점을 새로운 구면파의 파원으로 간주하는 휘겐스의 원리로 설명할 수 있으며, 이때 서로 다른 경로를 통해 도달한 파동들이 간섭하여 밝고 어두운 무늬를 만든다.

단일 슬릿에 의한 회절 무늬의 중심에는 가장 밝은 중앙 극대가 위치한다. 그 양쪽에는 완전한 암영 대신 일련의 차례로 어두워지는 2차, 3차 극대가 나타난다. 이 무늬의 형태와 간격은 슬릿의 폭(a), 빛의 파장(λ), 그리고 슬릿에서 스크린까지의 거리(L)에 의해 결정된다. 특히, 첫 번째 암점(최소)이 나타나는 각도(θ)는 sin θ = λ / a 라는 간단한 관계를 따른다. 이 공식은 슬릿 폭이 파장에 비해 클수록 회절 각이 작아져 무늬가 좁아지고, 슬릿 폭이 파장과 비슷해질수록 빛이 넓게 퍼지는 것을 보여준다.

단일 슬릿 회절은 영의 이중 슬릿 실험과 밀접하게 연결되어 있다. 이중 슬릿 실험에서 관찰되는 간섭 무늬는 사실 각 슬릿 자체에서 발생하는 단일 슬릿 회절 무늬에 의해 변조된 형태를 띤다. 즉, 이중 슬릿에 의한 세밀한 간섭 띠 전체의 포락선(envelope) 모양이 단일 슬릿의 회절 패턴으로 결정된다. 이 현상은 회절 격자와 같은 복잡한 광학 시스템을 이해하는 기초가 된다.

영의 이중 슬릿 실험은 두 개의 슬릿을 사용하지만, 슬릿의 수를 늘리면 간섭 무늬가 더욱 선명하고 예리해지는 현상이 나타난다. 이러한 다중 슬릿 구조를 회절 격자라고 부른다. 회절 격자는 수백에서 수천 개의 아주 가늘고 균일한 간격을 가진 평행한 틈새(슬릿)로 구성된다.

각 슬릿에서 나온 빛은 서로 간섭을 일으키는데, 슬릿 수가 많아질수록 보강 간섭이 일어나는 방향의 빛만 매우 밝게 강화되고, 다른 방향으로의 빛은 상쇄 간섭이 거의 완벽하게 일어나게 된다. 이로 인해 스크린에 나타나는 무늬는 이중 슬릿의 넓고 흐릿한 띠 모양이 아니라, 매우 가늘고 날카로운 선(스펙트럼 선)의 형태로 분리되어 관찰된다. 무늬의 위치는 여전히 경로 차이가 파장의 정수배일 때 결정되며, 이를 회절 격자의 기본 방정식 *d sinθ = mλ*로 표현한다. 여기서 *d*는 격자 상수(인접 슬릿 사이의 거리), *θ*는 회절각, *m*은 차수, *λ*는 파장이다.

회절 격자의 성능은 분해능과 분산으로 평가된다. 분산은 서로 다른 파장의 빛이 공간적으로 분리되는 정도를 나타내며, 격자 상수 *d*가 작을수록, 그리고 관측하는 차수 *m*이 높을수록 커진다. 분해능은 가까운 두 파장을 구별할 수 있는 능력으로, 슬릿의 총수 *N*과 차수 *m*에 비례하여 증가한다[8]. 따라서 슬릿 수가 많고 고차수의 스펙트럼을 사용할수록 더 미세한 파장 차이를 분석할 수 있다.

이러한 특성 덕분에 회절 격자는 분광학의 핵심 부품으로 널리 사용된다. 백색광을 회절 격자에 통과시키면 파장에 따라 다른 각도로 굴절되어 고유한 스펙트럼을 형성하므로, 물질이 방출하거나 흡수하는 빛의 정확한 파장을 측정하는 데 필수적이다. 이는 천체의 원소 구성 분석, 분자 구조 연구, 다양한 광학 센서 등 첨단 과학 기술 분야에 응용된다.