간섭계

간섭계란 빛의 간섭 현상을 이용하여 변위를 측정하는 광학계를 뜻한다. [1] 아래에 서술되어 있듯 빛의 파장을 기준 단위로 사용하기 때문에 그만큼 정밀하지만, 그만큼 설계하기 복잡하고 외부 환경에 민감하게 반응한다는 단점이 있어 초정밀 측정을 요구하는 특수한 경우에 주로 사용한다.

2016년 초에 중력파를 발견한 LIGO 역시 간섭계를 이용한 검출 장치이다. LIGO의 정밀도를 우리가 알 수 있는 스케일로 비유하면 태양계 사이에 있는 바이러스 하나를 검출할 정도의 정밀함이라고 한다.

아래의 그림은 가장 많이 알려진 간섭계 중 하나인 마이컬슨-몰리 간섭계.

하나의 빛을 빔 스플리터를 이용해 신호광(Probe Beam)과 기준광(Reference Beam)으로 나누고 서로 다른 경로를 통과하게끔[2] 한 다음, 두 개의 광다이오드를 이용하여 두 빛의 신호를 각각 받는다. 이 때 신호광의 경로가 측정 대상[3]에 의해 변화할 경우 신호광과 기준광 사이의 경로 차이에 의하여 간섭을 일으키게 되며, 이를 분석하면 측정하고자 하는 값을 알 수 있게 된다.

우리가 거리를 재고자 할 때 자를 쓰는 이유는 어떠한 기준 단위가 필요하기 때문인데, 간섭계가 정밀한 이유는 바로 전자기파의 파장을 기준 단위로 사용하기 때문이다. 또한 측정에 간섭 현상을 이용하므로 광학계 자체만으로는 이론 상의 측정 한계가 존재하지 않는다[4]. 즉, 최대 측정 한계는 검출 시스템, 즉 광다이오드의 측정 한계와 동일하다[5][6][7].

위 그림만 봐도 알 수 있겠지만, 최소한으로 설계해도 광학계 자체가 크고 복잡하다. 여기에 복잡한 측정 시스템까지 결합한다면 그야말로 웰컴 투 헬. 따라서 여러 가지 환경 요인에 의해 노이즈가 많이 끼므로 광학계를 단순화하기 위한 기술 및 노이즈를 제거하기 위한 기술에 초점을 맞추게 된다.

기준광과 신호광 사이의 주파수 차이를 주지 않는 방식.

기준광과 신호광 사이에 미약한 주파수 차이를 주어 맥놀이 현상을 일으키는 방식.

광학계의 설계를 어떻게 했느냐에 따른 분류이다. 현재 주로 사용하는 간섭계들은 다음과 같다.