공간 결맞음 (Spatial Coherence)
쉽게 풀면
여러 사람이 손을 잡고 파도타기를 할 때, 모두가 같은 박자로 움직이면 물결 모양이 깔끔하게 이어집니다. 하지만 각자 제멋대로 움직이면 전체적으로 들쭉날쭉한 모양이 됩니다. 공간 결맞음은 빛의 파면에서 서로 떨어진 두 지점이 얼마나 같은 박자(위상)로 움직이는지를 나타냅니다. 레이저처럼 한 점에서 나온 빛은 공간 결맞음이 높아 파면이 가지런하지만, 태양광이나 백열등처럼 여러 방향에서 무작위로 나오는 빛은 공간 결맞음이 낮습니다.
왜 중요한가
공간 결맞음이 높은 광원일수록 렌즈나 개구를 지날 때 뚜렷한 간섭무늬나 회절 패턴을 만들 수 있어, 홀로그래피나 간섭계, 정밀 이미징 시스템의 성능을 좌우하는 핵심 요소로 다뤄집니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
결맞음이 좋은 광원일수록 간섭무늬가 선명하게 나타난다는 뜻입니다.
작은 구멍을 통과시켜 공간 결맞음을 개선하는 방법을 설명하고 있습니다.
조금 더 깊게 보면
공간 결맞음은 두 지점 사이의 거리가 멀어질수록 일반적으로 감소하며, 이 정도를 정량적으로 나타내는 것이 상호 결맞음 함수(mutual coherence function)입니다. 실험적으로는 영의 이중 슬릿 실험처럼, 두 지점에서 나온 빛을 겹쳐서 만들어지는 간섭무늬의 명암 대비(visibility)를 측정하여 공간 결맞음의 정도를 판단합니다. 공간결맞음은 같은 시각 빛의 파면 위 서로 다른 두 지점의 광장(光場)이 안정적인 위상 관계를 유지하는 정도를 나타내며, 이는 시간에 따른 위상 안정성을 뜻하는 시간결맞음과는 별개의 개념입니다. 두 슬릿 사이의 간섭무늬 선명도(가시도, visibility)로 정량화할 수 있으며, 반치테르트-제르니케(van Cittert-Zernike) 정리에 따라 광원의 각크기가 작을수록, 관측 거리가 멀수록 공간결맞음 영역이 넓어집니다. 공간간섭성은 광원 위의 서로 다른 지점에서 나온 빛이 일정한 위상 관계를 유지하는 정도를 나타내며, 점광원에 가까울수록 공간간섭성이 높아지고 넓은 면광원일수록 낮아지는 경향이 있습니다. 영의 이중슬릿 실험에서 슬릿 간격을 넓혀도 선명한 간섭무늬가 유지되는 정도로 공간간섭성을 가늠할 수 있습니다.
주의할 점
공간 결맞음과 시간 결맞음은 서로 독립적인 성질로, 공간 결맞음이 높다고 해서 시간 결맞음(즉 결맞음 길이)도 반드시 높은 것은 아닙니다.
레이저처럼 점광원에 가까운 광원은 공간결맞음이 매우 높은 반면, 태양이나 전구 같은 확장광원은 공간결맞음 영역이 매우 좁아 간섭 실험에는 별도의 공간 필터링이 필요합니다.