사용자:Rage91/소멸파
소멸파(Evanescent Wave)는 두 매질의 경계면에서 전반사가 일어날 때 나타나는 현상이다. 일반적으로 전자기파가 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 입사할 때, 입사각이 임계각보다 크다면 경계면에서는 전반사가 일어난다. 이 때 빛은 경계면을 투과하지 못하나, 경계면 건너편에는 경계면에서부터 지수함수적으로 감소하는 전기장과 자기장이 생기게 된다. 이를 가리켜 소멸파라고 한다.
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ko/thumb/6/61/Evwave.jpg/220px-Evwave.jpg)
소멸파의 전자기학적 분석[1][2][편집]
전기장[편집]
굴절률이 인 매질 1에서 인 매질 2로 평면파가 입사한다고 생각한다. 이고 경계면을 이라 할 때, 입사각이 임계각보다 크면 매질 2 내부에서의 전기장은 다음과 같이 주어진다.
이 때, 이고 와 , , 는 각각 다음과 같다.
첨자 s와 p는 각각 입사평면에 수직방향(독일어 senkrecht)편광과 평행방향(parallel) 편광을 의미하고,를 투과 깊이(penetration depth)라 한다. 전기장은 경계면으로부터 지수함수적으로 감소하고, 투과 깊이에서 그 세기가 가 된다.
자기장[편집]
경계면에서 자기장의 각 성분들은 다음과 같다.
입사된 빛이 수직방향 편광인 경우에 소멸파의 전기장은 그대로 횡파이지만, 자기장은 타원 편광된다. 반면에, 입사된 빛이 평행방향 편광이라면 전기장이 타원 편광되고 자기장은 횡파를 유지한다.
에너지 전달[편집]
매질 2의 내부에서 포인팅 벡터를 계산하면, 방향, 즉 매질의 진행방향 성분의 한 주기 평균은 0이다. 따라서 매질 1로부터 매질 2로의 에너지 전달은 없고, 빛이 전반사될 때 에너지는 전부 보존된다.
FTIR[편집]
FTIR(Frustrated Total Internal Reflectance)는 소멸파 전자기장에 굴절률이 더 큰 제 3의 매질이 놓일 때 일어난다. 이 상황에서는 evanescent field의 성질이 바뀌어, 새로 놓인 매질을 통한 에너지 전달이 일어나게 된다. 이는 양자역학적 터널링과 흡사한 현상으로, 아이작 뉴턴 경(Sir Isaac Newton)이 프리즘으로 수행한 실험에서 처음 보고되었다.[3] 곡률이 큰 볼록렌즈와 직각 프리즘의 빗변을 접촉시키고 프리즘으로부터 빛을 입사시키면, 빛의 경로는 두 갈래로 나뉜다. 하나는 프리즘의 빗면에서 전반사되는 것이고, 다른 하나는 접촉점을 거쳐 볼록렌즈로 입사되는 것이다. 이 때, 렌즈를 통과한 전자기파의 상의 크기는 접촉점의 면적보다 크게 나타난다. 이는 접촉점 근처에서 FTIR이 일어났기 때문이다.[4] FTIR을 통한 에너지 전달의 정도는 두 매질간 공간의 두께가 두꺼울수록 큰 폭으로 감소한다.
활용 방안[편집]
전반사 형광 현미경[편집]
세포 내부에서 일어나는 생체현상들을 연구하기 위해서, 생체분자들에 붙어 있는 발색단(chromophore)을 들뜬 상태로 만들어 관찰하는 형광 현미경(Fluorescence microscope)이 자주 사용된다. 하지만 이 방법은 빛이 지나가는 자리에 있는 모든 분자들에 영향을 미치기 때문에, 국소적인 부분을 관찰할 때는 적합하지가 않다. 하지만 소멸파를 이용하여 이를 가능하게 만들 수 있는데, 이를 이용한 현미경을 전반사 형광 현미경(Total internal reflection fluorescence microscope, TIRFM) 이라 한다.
다중터치 화면[편집]
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ko/thumb/7/7d/Evwave2.jpg/220px-Evwave2.jpg)
FTIR을 통해 다중터치 화면을 적은 비용으로 비교적 쉽게 구현할 수 있다. 두 아크릴판에 발광다이오드(LED)로 전반사가 되게 빛을 입사시킨다. 스크린에 손가락을 접촉시키면, 접촉면에서는 FTIR이 발생하게 되어 난반사가 일어나게 된다. 스크린 아래에 있는 감지기를 이용해 난반사된 빛을 감지한 다음 좌표로 변환하여 접촉점의 위치가 인식된다.[5] 감압식 터치 화면과 달리 접촉하는 물체의 광학적 성질에 영향을 받기 때문에, 감지가 매우 선택적으로 이루어질 수 있고 접촉면이 넓을 때에도 인식할 수 있는 등의 장점이 있다.
주석[편집]
- ↑ Frédérique de Fornel(2001), Evanescent waves: from Newtonian optics to atomic optics(영어). Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 8-11쪽
- ↑ David J. Griffiths(2008), Introduction to Electrodynamics(영어). Pearson Benjamin Cummings, 413-415쪽 문제 9.37
- ↑ Bruce W. Smith, Youngfa Fan, Jianming Zhou, Neal Lafferty, Andrew Estroff, Evanescent wave imaging in optical lithography(영어), Rochester Institute of Technology, 1쪽
- ↑ Frédérique de Fornel(2001), Evanescent waves: from Newtonian optics to atomic optics(영어). Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 18~19쪽
- ↑ Jefferson Y. Han(2005), Low-cost multi-touch sensing through frustrated total internal reflection