시간 결맞음 (Temporal Coherence)
쉽게 풀면
똑같은 리듬으로 계속 반복되는 노래는 몇 분이 지나도 처음 박자와 어긋나지 않지만, 리듬이 불규칙한 소리는 시간이 지나면 원래 패턴과 점점 어긋나 버립니다. 빛도 마찬가지로, 순수하게 한 가지 색(단일 주파수)에 가까운 빛일수록 시간이 지나도 파동의 흐름이 일정하게 유지되는데, 이를 시간 결맞음이 높다고 표현합니다. 여러 색이 섞인 빛은 시간이 지나면서 각 색의 위상이 서로 어긋나 시간 결맞음이 낮아집니다.
왜 중요한가
시간 결맞음은 빛을 시간차를 두고 나눈 뒤 다시 합쳐서 간섭무늬를 관찰하는 간섭계 실험에서 얼마나 뚜렷한 무늬가 나오는지를 결정하며, 결맞음 길이와 직결되어 정밀 거리 측정이나 분광 기술의 성능을 좌우합니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
시간 결맞음이 좋은 광원일수록 더 먼 거리 차이에서도 간섭이 나타난다는 뜻입니다.
스펙트럼을 좁혀서 결맞음 성질을 개선하는 방법을 설명하고 있습니다.
조금 더 깊게 보면
시간 결맞음은 자기 상관 함수(자기 결맞음 함수)를 이용해 정량적으로 나타낼 수 있으며, 이 함수가 얼마나 오랫동안 뚜렷한 값을 유지하는지가 결맞음 시간(coherence time)이 되고, 이를 빛의 속도와 곱하면 결맞음 길이가 됩니다. 스펙트럼 폭이 좁을수록 결맞음 시간이 길어지는 반비례 관계가 있습니다. 시간결맞음은 같은 광원에서 나온 빛이 서로 다른 시간(경로)을 거친 뒤 다시 만났을 때 안정적인 간섭무늬를 만들 수 있는 정도를 나타내며, 그 한계 시간차를 결맞음 시간(coherence time), 이를 빛의 속도로 환산한 거리를 결맞음 길이(coherence length)라 부릅니다. 결맞음 시간은 스펙트럼 선폭에 반비례하므로, 단일 파장에 가까운 레이저일수록 결맞음 시간이 길고, 넓은 스펙트럼을 가진 백색광원일수록 짧습니다. 시간간섭성은 같은 광원에서 시간차를 두고 나온 빛이 얼마나 일정한 위상 관계를 유지하는지를 나타내며, 이 유지 시간에 빛의 속도를 곱한 거리를 간섭성 길이라고 부릅니다. 단색성이 높은 레이저일수록 간섭성 길이가 길어 마이컬슨 간섭계 같은 실험에서 큰 경로차에서도 간섭무늬가 관찰됩니다.
주의할 점
시간 결맞음은 공간 결맞음과는 독립적인 개념이므로, 한 성질이 좋다고 해서 다른 성질도 자동으로 좋아지는 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다.
공간결맞음이 광원의 크기(각크기)에 의해 결정되는 것과 달리, 시간결맞음은 순수하게 광원의 스펙트럼 폭에 의해 결정되므로 두 결맞음은 서로 독립적으로 평가해야 합니다.