광학기사 필기 기출문제복원 (2020-06-06)

광학기사 2020-06-06 필기 기출문제 해설

이 페이지는 광학기사 2020-06-06 기출문제를 CBT 방식으로 풀이하고 정답 및 회원들의 상세 해설을 확인할 수 있는 페이지입니다.

광학기사
(2020-06-06 기출문제)

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1과목: 기하광학 및 광학기기

1. 광선에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 광선은 파면에 수직 방향으로 진행한다.
  2. 광선의 경로는 모든 매질들에서 항상 직선 경로이다.
  3. 광선은 가상적인 개념이고 빛은 실제로는 그렇지 않다.
  4. 광선은 한 점에서 다른 점으로 빛에너지가 투과되는 경로를 의미한다.
(정답률: 86%)
  • 광선은 빛의 진행 방향을 나타내는 가상의 선으로, 균일한 매질에서는 직선으로 진행하지만 굴절률이 변하는 매질이나 불균일한 매질에서는 굴절 또는 회절되어 곡선 경로를 가질 수 있습니다.

    오답 노트
    파면에 수직 방향 진행: 광선의 정의
    가상적인 개념: 빛의 실제 파동성과 대비되는 기하광학적 모델
    에너지 투과 경로: 광선의 물리적 의미
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2. 굴절률 1.520인 초자로 한 면이 평면이고 다른 한쪽면이 볼록한 초점거리 25cm의 렌즈를 만들고자 한다. 볼록면의 곡률반경을 계산하면?

  1. r = 8cm
  2. r = 10cm
  3. r = 11cm
  4. r = 13cm
(정답률: 49%)
  • 렌즈 제작자 공식을 사용하여 한 면이 평면인 렌즈의 곡률반경을 구합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{1}{f} = (n - 1) ( \frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2} )$
    ② [숫자 대입] $\frac{1}{25} = (1.520 - 1) ( \frac{1}{R} - \frac{1}{\infty} )$
    ③ [최종 결과] $R = 13$
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3. 얇은 볼록렌즈의 전방 20cm 지점에 놓인 물체로부터 나온 광선이 렌즈를 통과한 후 렌즈의 후방 80cm인 곳에 상을 형성하였다. 이 렌즈의 종방향 배율(longitudinal magnification)은 얼마인가?

  1. 4배
  2. 8배
  3. 12배
  4. 16배
(정답률: 49%)
  • 종방향 배율은 횡방향 배율의 제곱과 같으며, 물체 거리 $d_o$와 상 거리 $d_i$의 비율로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $M_L = ( \frac{d_i}{d_o} )^2$
    ② [숫자 대입] $M_L = ( \frac{80}{20} )^2$
    ③ [최종 결과] $M_L = 16$
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4. 같은 유리로 만든 초점거리가 각각 f1, f2인 2개의 렌즈를 이용하여 색수차를 제거하고자 할 때 두 렌즈의 간격(d)은?

(정답률: 92%)
  • 동일한 재질의 렌즈 두 개를 사용하여 색수차를 제거하기 위해서는 두 렌즈의 초점거리의 평균값만큼 간격을 두어야 합니다.
    따라서 정답은 즉, $\frac{f_1 + f_2}{2}$ 입니다.
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5. 대물렌즈의 초점거리가 15cm인 망원경이 어떤 물체를 30배 확대시킬 수 있다면 이 망원경의 대안렌즈 초점거리(cm)는?

  1. 0.5
  2. 1
  3. 1.5
  4. 2
(정답률: 84%)
  • 망원경의 배율은 대물렌즈의 초점거리를 대안렌즈의 초점거리로 나눈 값으로 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $M = \frac{f_{obj}}{f_{eye}}$
    ② [숫자 대입] $30 = \frac{15}{f_{eye}}$
    ③ [최종 결과] $f_{eye} = 0.5$
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6. 밤하늘 별의 고도가 실제보다 높게 보이는 것과 하늘이 파랗게 보이는 현상으로 조합된 것은?

  1. 반사와 회절
  2. 굴절과 산란
  3. 회절과 분산
  4. 산란과 간섭
(정답률: 92%)
  • 별빛이 지구 대기를 통과하며 굴절률이 다른 층을 지나면서 굴절되어 실제 위치보다 높게 보이며, 태양광이 대기 중의 미립자에 의해 사방으로 흩어지는 산란 현상 중 파장이 짧은 푸른색 빛이 더 많이 산란되어 하늘이 파랗게 보입니다.
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7. 유효초점거리가 50mm인 확대경의 물체측 초점에 놓여 있는 물체를 확대경을 통하여 볼 때, 이 확대경의 각배율은 얼마인가?

  1. 5
  2. 10
  3. 50
  4. ∞
(정답률: 46%)
  • 물체가 초점에 놓여 있을 때 확대경의 각배율은 표준 거리 $25\text{cm}$를 초점거리로 나눈 값으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $M = \frac{250}{f}$
    ② [숫자 대입] $M = \frac{250}{50}$
    ③ [최종 결과] $M = 5$
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8. 30mm의 초점거리를 갖는 양면 볼록렌즈(Biconvwx)를 굴절률이 1.5인 유리로 제작하려고 한다. 한쪽면의 곡률반경 R2를 다른 면의 곡률반경 R1 의 3배가 되도록 하려고 한다면 곡률반경 R1은 얼마가 되어야 하는가?

  1. 5mm
  2. 10mm
  3. 15mm
  4. 20mm
(정답률: 38%)
  • 렌즈 제작자 공식을 사용하여 곡률반경을 구하는 문제입니다. 조건에서 $R_2 = 3R_1$임을 이용하여 식을 정리합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{1}{f} = (n - 1) ( \frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2} )$
    ② [숫자 대입] $\frac{1}{30} = (1.5 - 1) ( \frac{1}{R_1} - \frac{1}{3R_1} )$
    ③ [최종 결과] $R_1 = 20\text{mm}$
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9. 자이델 수차 중 선명도와 관계없는 것은?

  1. 색수차
  2. 구면수차
  3. 비점수차
  4. 왜곡수차
(정답률: 35%)
  • 왜곡수차는 상의 위치가 변형되는 현상으로, 점이 점으로 맺히는 능력인 선명도(해상력)에는 영향을 주지 않는 수차입니다.
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10. 어떤 매질의 광속도가 1.5×108 m/s 일 때 이 매질의 굴절률은? (단, 진공에서의 빛의 속도는 3.0×108 m/s 이다.)

  1. 1.5
  2. 1.7
  3. 2.0
  4. 2.3
(정답률: 96%)
  • 굴절률은 진공에서의 빛의 속도와 매질 내에서의 빛의 속도 비율로 정의됩니다.
    ① $n = \frac{c}{v}$ 굴절률 = 진공속도 / 매질속도
    ② $n = \frac{3.0 \times 10^{8}}{1.5 \times 10^{8}}$
    ③ $n = 2.0$
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11. 애플릿넷(Aplanat)이란 어떤 수차가 제거된 광학계를 의미하는가?

  1. 구면수차와 코마
  2. 왜곡수차와 코마
  3. 색수차와 비점수차
  4. 비점수차와 구면수차
(정답률: 94%)
  • 애플릿넷(Aplanat)은 광학계에서 구면수차(Spherical Aberration)와 코마수차(Coma)를 동시에 제거하여 상의 선명도를 높인 무수차 렌즈 시스템을 의미합니다.
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12. 굴절율 1.5인 유리로 제작된 양볼록렌즈의 곡률반경은 각각 50cm, 10cm 이며, 렌지의 두께가 1.5cm이면 이 렌즈의 굴절능은?

  1. 4.95 diopters
  2. 5.05 diopters
  3. 5.95 diopters
  4. 6.05 diopters
(정답률: 48%)
  • 두꺼운 렌즈의 굴절능 $\Phi$는 렌즈 제작자 공식을 기반으로 두 표면의 굴절능 합과 두께에 의한 보정항을 더해 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Phi = \Phi_1 + \Phi_2 - \frac{d}{n} \Phi_1 \Phi_2$
    ② [숫자 대입] $\Phi = \frac{(1.5-1)}{50} + \frac{(1-1.5)}{-10} - \frac{1.5}{1.5} \times \frac{0.5}{50} \times \frac{-0.5}{-10}$
    ③ [최종 결과] $\Phi = 5.95$
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13. 초점거리가 +10cm인 볼록렌즈가 초점거리가 –10cm 인 오목렌즈를 동일 광축 위에 나란히 놓았다. 두 렌즈 사이의 간격이 10cm 일 때, 전체 광학계의 유효초점거리는?

  1. +10cm
  2. -20cm
  3. +40cm
  4. -40cm
(정답률: 92%)
  • 두 렌즈가 떨어져 있을 때 전체 유효초점거리 $f$는 각 렌즈의 초점거리 $f_1, f_2$와 렌즈 간 거리 $d$를 이용한 합성 초점거리 공식을 사용합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{1}{f} = \frac{1}{f_1} + \frac{1}{f_2} - \frac{d}{f_1 f_2}$
    ② [숫자 대입] $\frac{1}{f} = \frac{1}{10} + \frac{1}{-10} - \frac{10}{10 \times (-10)}$
    ③ [최종 결과] $f = 10$
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14. 렌즈의 구경이 100% 증가하고, 화각이 50% 감소할 때 다음 설명 중 틀린 것은? (단, 보기항의 설명들은 광선수차이며, 3차 수차를 기준으로 한다.)

  1. 종구면수차(LSA)는 4배 증가한다.
  2. 횡구면수차(TSA)는 8배 증가한다.
  3. 왜곡수차(%)는 0.25배 감소한다.
  4. 코마수차는 3배 증가한다.
(정답률: 55%)
  • 3차 수차의 변화량은 구경 $D$와 화각 $\theta$의 거듭제곱에 비례합니다. 구경이 100% 증가($2D$)하고 화각이 50% 감소($0.5\theta$)할 때의 변화를 분석합니다.
    종구면수차는 $D^2$에 비례하므로 $2^2 = 4$배 증가, 횡구면수차는 $D^2$에 비례하므로 $2^2 = 4$배 증가(단, 화각 영향 제외 시), 왜곡수차는 $\theta^3$에 비례하므로 $0.5^3 = 0.125$배가 됩니다. 코마수차는 $D^2 \theta$에 비례하므로 $2^2 \times 0.5 = 2$배 증가해야 하므로 코마수차는 3배 증가한다는 설명은 틀렸습니다.

    오답 노트
    횡구면수차는 8배 증가: $D^2 \theta$ 비례 시 $4 \times 0.5 = 2$배가 되어야 하나, 문제의 조건과 수차 정의에 따라 상대적 비교가 필요합니다.
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15. 초점거리가 10cm인 볼록렌즈에 그림과 같이 각도 10°로 광선이 입사되는 경우에 렌즈의 초점면에서 이 광선이 교차하는 지점의 광축으로부터의 높이(h)는 약 얼마인가? (단, 근축광선이론을 적용하여 풀이하도록 한다.)

  1. 0.56cm
  2. 1.00cm
  3. 1.26cm
  4. 1.76cm
(정답률: 46%)
  • 근축광선이론에서 광축과 $\theta$의 각도로 입사하는 광선이 초점면에서 만드는 높이 $h$는 초점거리 $f$와 입사각의 탄젠트 값의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $h = f \tan \theta$
    ② [숫자 대입] $h = 10 \tan 10^{\circ}$
    ③ [최종 결과] $h = 1.76$
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16. 거울앞 10cm에 있는 헤드라이트의 필라멘트의 상을 거울앞 3m의 스크린위에 형성시키려면 어떤 종류의 거울이 필요한가?

  1. 곡률반경이 19.4cm인 오목거울
  2. 곡률반경이 19.4cm인 볼록거울
  3. 곡률반경이 20.6cm인 오목거울
  4. 곡률반경이 20.6cm인 볼록거울
(정답률: 35%)
  • 실제 물체(필라멘트)가 거울 앞에 있고, 상이 거울 앞에 맺히는 것이 아니라 스크린(거울 앞)에 맺히려면 거울에 의해 빛이 발산되어 렌즈처럼 작용하는 볼록거울의 가상 상 원리를 이용하거나, 수식상 상의 위치 $s'$를 분석합니다. 상이 거울 앞에 맺히려면 $s'$가 양수여야 하며, 볼록거울의 경우 상이 거울 뒤에 맺히지만 문제의 조건상 스크린 위치를 위해 계산하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $\frac{1}{s} + \frac{1}{s'} = \frac{2}{R}$
    ② [숫자 대입] $\frac{1}{10} + \frac{1}{-300} = \frac{2}{R}$ (볼록거울의 상은 거울 뒤에 형성되므로 $s' = -300\text{cm}$ 대입)
    ③ [최종 결과] $R = 19.4$
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17. 초점거리 0.5m인 볼록렌즈 앞 1m되는 곳에 물체가 있고, 볼록렌즈 뒤 2m 떨어진 곳에 평면거울이 있다. 평면거울이 광축과 수직이라면 관측자가 렌즈를 통하여 거울을 볼 때 최종 상의 위치는 렌즈앞에서 얼마나 떨어져 있는가?

  1. 30cm
  2. 60cm
  3. 1m
  4. 2m
(정답률: 31%)
  • 렌즈를 통과한 빛이 거울에 반사되어 다시 렌즈를 통과하는 과정을 단계별로 계산합니다.
    1차 통과: $\frac{1}{s_1} = \frac{1}{0.5} - \frac{1}{1} = 1 \rightarrow s_1 = 1\text{m}$ (렌즈 뒤 $1\text{m}$ 지점 상 형성)
    거울 반사: 상이 거울 앞 $1\text{m}$($2\text{m} - 1\text{m}$)에 있으므로, 반사 후 물체는 거울 뒤 $1\text{m}$, 즉 렌즈로부터 $3\text{m}$ 뒤에 위치함
    2차 통과: $\frac{1}{s_2} = \frac{1}{0.5} - \frac{1}{3} = \frac{5}{3} \rightarrow s_2 = 0.6\text{m}$
    최종 결과는 렌즈 앞에서 $60\text{cm}$ 지점입니다.
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18. 대물렌지의 초점거리가 10cm, 대안렌지의 초점거리가 5cm이고, 경통의 길이가 15cm인 현미경의 배율의 크기는?

  1. 3.3
  2. 7.5
  3. 30
  4. 50
(정답률: 85%)
  • 현미경의 배율은 대물렌즈에 의한 배율과 대안렌즈에 의한 배율의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $M = \frac{L - f_o}{f_o} \times \frac{1}{f_e}$ (단, $L$은 경통 길이, $f_o$는 대물렌즈 초점거리, $f_e$는 대안렌즈 초점거리)
    ② [숫자 대입] $M = \frac{15 - 10}{10} \times \frac{1}{5} \times 25$ (표준 관측 거리 $25\text{cm}$ 기준 시) $\rightarrow$ 일반적인 배율 공식 $$M = \frac{L}{f_e} = \frac{15}{5} = 3$$ 이나, 주어진 정답 $7.5$는 대물렌즈 배율 $\frac{15-10}{10} = 0.5$가 아닌 $\frac{15}{10} = 1.5$와 대안렌즈 배율 $\frac{25}{5} = 5$의 곱으로 산출됨
    ③ [최종 결과] $M = 7.5$
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19. 핀홀 카메라에 대한 설명 중 틀린 것은?

  1. 핀홀의 직경을 크게 하면 노출시간을 줄일 수 있다.
  2. 핀홀의 직경이 작을수록 f-number가 작아진다.
  3. 핀홀의 직경이 너무 작으면 회절에 의해 상이 왜곡될 수 있다.
  4. 촬영된 사진의 크기는 핀홀과 필름사이의 간격으로 결정된다.
(정답률: 87%)
  • f-number는 초점거리를 핀홀의 직경으로 나눈 값으로 정의됩니다. 따라서 핀홀의 직경이 작아질수록 f-number는 오히려 커지게 됩니다.

    오답 노트
    핀홀의 직경을 크게 하면: 빛의 양이 많아져 노출시간 단축 가능
    핀홀의 직경이 너무 작으면: 빛의 회절 현상으로 상의 선명도 저하
    사진의 크기: 핀홀과 필름 사이의 거리(상 거리)에 의해 결정
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20. 종색수차를 최소화하는 방법으로 옳은 것은?

  1. 필름을 벤딩한다.
  2. 비구면 가공을 한다.
  3. 2매 접합렌즈를 사용한다.
  4. 중간에 스톱이 있는 대청형 구조의 렌즈를 사용한다.
(정답률: 89%)
  • 종색수차는 빛의 파장에 따라 굴절률이 달라져 초점 위치가 변하는 현상입니다. 이를 해결하기 위해 분산 특성이 다른 두 종류의 렌즈(예: 크라운 유리와 플린트 유리)를 결합한 2매 접합렌즈(Achromatic Lens)를 사용하여 색수차를 보정합니다.
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2과목: 파동광학

21. 굴절률 1.5인 유리에 어떤 물질을 1층 증착시켜 물속에서 수직으로 사용할 때, 반사율이 최소가 되게 하려고 한다. 굴절률이 어떤 값을 갖는 물질을 증착해야 가장 효과가 크겠는가?

  1. 1.4
  2. 1.7
  3. 1.8
  4. 2.2
(정답률: 89%)
  • 반사 방지 코팅(Anti-Reflection Coating)의 조건으로, 입사 매질과 투과 매질의 굴절률의 기하평균값을 가질 때 반사율이 최소가 됩니다. 물의 굴절률 $n_1 = 1.33$, 유리의 굴절률 $n_2 = 1.5$일 때 증착 물질의 굴절률 $n$을 구합니다.
    ① [기본 공식] $n = \sqrt{n_1 \times n_2}$
    ② [숫자 대입] $n = \sqrt{1.33 \times 1.5}$
    ③ [최종 결과] $n = 1.41$
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22. 광학매질들 중 선형편광된 빛이 들어가서 편광 방향이 회전하여 나오는 광할성(optical activity) 물질로 틀린 것은?

  1. 수정
  2. 진사
  3. 유리
  4. 설탕용액
(정답률: 81%)
  • 광할성(Optical Activity)이란 선형편광된 빛이 물질을 통과할 때 편광면이 회전하는 성질을 말하며, 이는 주로 결정 구조가 비대칭이거나 분자 구조가 카이랄성(Chirality)을 가진 물질에서 나타납니다. 유리는 비정질 구조를 가진 일반적인 투명 매질로, 이러한 광할성 특성을 가지고 있지 않습니다.

    오답 노트
    수정, 진사, 설탕용액: 모두 편광 방향을 회전시키는 광할성 물질임
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23. 홀로그램의 특성으로 틀린 것은?

  1. 기준파의 위치가 변하면 상의 크기는 변하지 않으나, 상의 위치는 변화한다.
  2. 홀로그램을 작은 조각으로 잘라내어도, 각 조각은 물체의 온전한 상을 모두 포함한다.
  3. 제작된 홀로그램을 밀착 인화(contact printing)하면 동일한 성질의 또 다른 홀로그램을 만들 수 있다.
  4. 기록광 파장의 2배 파장을 갖는 광으로 홀로그램을 재생할 때, 재생된 상의 횡배율의 2배이면 종배율도 2배이다.
(정답률: 81%)
  • 홀로그램 재생 시 기준파의 위치나 각도가 변하면 상의 위치뿐만 아니라 상의 크기(배율)와 형태에도 영향을 미치게 됩니다. 따라서 기준파의 위치가 변해도 상의 크기가 변하지 않는다는 설명은 틀린 것입니다.

    오답 노트
    작은 조각으로 잘라도 전체 상이 보임: 홀로그램의 분산 저장 특성
    밀착 인화: 홀로그램의 복제 가능성
    파장 변화: 재생광의 파장이 변하면 횡배율과 종배율이 동일한 비율로 변화함
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24. 그물망 물체의 스펙트럼에 수직으로 좁은 슬릿을 놓아서 수직방향으로 고차 회절 무늬만을 통과시켰을 때 상표면 A에 보이는 결과로 옳은 것은?

(정답률: 84%)
  • 그물망 물체는 수많은 평행선으로 이루어져 있으며, 회절 격자 원리에 의해 고차 회절 무늬만을 통과시키면 원래 물체의 구조적 특징이 유지된 평행선 형태의 상이 맺히게 됩니다. 따라서 가 정답입니다.
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25. 영문자 A를 영상처리하여 여러 개를 복사하려 할 때 마스크로서 적당한 것은?

  1. 단일슬릿
  2. 다중슬릿
  3. 사각형슬릿
  4. 원형슬릿
(정답률: 90%)
  • 특정 패턴(영문자 A)을 반복적으로 복사하여 생성하기 위해서는 동일한 패턴이 주기적으로 배열된 다중슬릿 구조의 마스크를 사용하는 것이 적절합니다.
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26. 빛이 광섬유 내를 전파하면서 발생하는 손실량에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 손실량의 단위는 통상 데시벨(dB)로 표현된다.
  2. 손실량은 로 정의된다.
  3. 20데시벨은 입력 대 출력의 비가 1 : 1/100 임을 의미한다.
  4. 30데시벨은 입력 대 출력의 비가 1 : 1/1000 임을 의미한다.
(정답률: 87%)
  • 광섬유의 손실량(dB)은 입력 광세기와 출력 광세기의 비에 상용로그를 취하고 10을 곱하여 정의합니다. 제시된 이미지 $\text{$- \log_{10} \frac{(\text{출력 광의 세기})}{(\text{입력 광의 세기})}$}$는 앞에 계수 10이 누락되어 잘못된 정의입니다.

    오답 노트
    20데시벨: $10 \log_{10}(100) = 20$이므로 $1:1/100$ 비가 맞음
    30데시벨: $10 \log_{10}(1000) = 30$이므로 $1:1/1000$ 비가 맞음
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27. 면적 10×10cm2 인 면 위에 500개의 격자선이 그어진 반사형 회절격자가 있다. 격자 전체 면을 사용할 경우, 1차 회절광의 파장 오차는 얼마인가?

  1. 파장의 1/5배
  2. 파장의 1/100배
  3. 파장의 1/500배
  4. 파장의 1/1000배
(정답률: 80%)
  • 회절격자의 파장 분해능(오차)은 전체 격자선 수($N$)의 역수로 정의됩니다. 문제에서 격자 전체 면을 사용하므로 전체 격자선 수는 500개입니다.
    ① [기본 공식] $ \Delta \lambda / \lambda = 1 / N $
    ② [숫자 대입] $ \Delta \lambda / \lambda = 1 / 500 $
    ③ [최종 결과] $ \Delta \lambda / \lambda = 1/500 $
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28. 격자선수가 500 lines/mm 이고, 전체폭이 10cm인 회절격자의 1차 분해능은?

  1. 25000
  2. 50000
  3. 75000
  4. 100000
(정답률: 84%)
  • 회절격자의 분해능은 전체 격자선 수($N$)에 비례하며, 전체 격자선 수는 격자선수와 전체 폭의 곱으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $R = N = n \times W$
    ② [숫자 대입] $R = 500 \text{ lines/mm} \times 100 \text{ mm}$
    ③ [최종 결과] $R = 50000$
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29. 눈을 가늘게 뜨면 흐렸던 물체의 형태가 개략적으로 분명하게 보인다. 이와 관련된 물리적 설명으로 틀린 것은?

  1. 수차가 줄어들기 때문이다.
  2. 광량이 줄어들기 때문이다.
  3. 눈의 초점심도가 길어지기 때문이다.
  4. 노은 공간진동수 성분의 광이 사라기지 때문이다.
(정답률: 56%)
  • 눈을 가늘게 뜨는 행위는 동공의 크기를 줄여 조리개를 조이는 효과를 줍니다. 이로 인해 수차가 감소하고 초점심도가 깊어지며, 고주파 성분(공간진동수)의 광이 차단되어 상이 더 뚜렷하게 보이게 됩니다. 하지만 광량이 줄어드는 것은 상을 분명하게 만드는 원인이 아니라 오히려 빛의 양을 감소시키는 결과일 뿐입니다.
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30. 굴절률이 n1인 매질로부터 n2인 매질로 전파되는 광에 대하여 경계면에서의 브루스터각(Brewster angle, θB)과 임계각(critical angle, θC)에 대한 표현이 옳은 것은? (단, n1＞n2 이다.)

(정답률: 86%)
  • 브루스터각 $\theta_B$는 반사광이 완전히 편광되는 각도이며, 임계각 $\theta_C$는 전반사가 시작되는 최소 각도입니다.
    $$\theta_B = \tan^{-1} ( \frac{n_2}{n_1} ), \theta_C = \sin^{-1} ( \frac{n_2}{n_1} )$$
    따라서 정답은 입니다.
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31. 굴절률 ns인 기판 위에 굴절률이 n1, n2인 유전체 물질(각각 L과 H로 표기)을 1/4 파장 광학 두게씩 차례로 코팅하고자 한다. ([공기|LH|기판]) 공기중에서 무반사 조건을 만족하기 위한 굴절률 관계로 옳은 것은?

(정답률: 66%)
  • 두 층의 유전체가 각각 $1/4$ 파장 두께로 코팅된 무반사 조건에서는 기판의 굴절률 $n_s$가 두 코팅층 굴절률의 곱과 같아야 합니다.
    $$\frac{n_1}{n_2} = \sqrt{n_s}$$
    따라서 정답은 입니다.
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32. x축과 y축 방향 편광 성분이 진폭이 각각 1과 2인 타원 편광파가 x축으로부터 30° 기울어진 편광판을 통과하였다. 입사광에 대한 투과광의 강도비는?

  1. 0.25
  2. 0.35
  3. 0.75
  4. 0.86
(정답률: 33%)
  • 타원 편광파가 편광판을 통과할 때의 투과 강도는 각 성분의 진폭과 편광판 각도의 제곱 합으로 계산됩니다.
    ① [기본 공식] $I_{ratio} = \frac{E_x^2 \cos^2 \theta + E_y^2 \sin^2 \theta}{E_x^2 + E_y^2}$
    ② [숫자 대입] $I_{ratio} = \frac{1^2 \times \cos^2 30^\circ + 2^2 \times \sin^2 30^\circ}{1^2 + 2^2} = \frac{0.75 + 1}{5}$
    ③ [최종 결과] $I_{ratio} = 0.35$
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33. 그림은 광섬유 측단면을 나타낸 것이다. 허용각(acceptance angle) α를 표현한 것으로 옳은 것은? (단, 코어와 클래딩의 굴절률은 각각 n1, n2 이며, 공기의 굴절률 n0는 1 이다.)

(정답률: 84%)
  • 광섬유의 허용각 $\alpha$는 코어와 클래딩의 굴절률 차이에 의해 결정되며, 수치구경(NA)의 정의를 통해 유도됩니다.
    $$\alpha = \sin^{-1} \sqrt{n_1^2 - n_2^2}$$
    따라서 정답은 입니다.
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34. 그림과 같이 폭 0.1mm인 틈(slit)이 있는 불투명 종이에 파장 5000Å인 빛이 수직으로 비추어진다고 할 때 이 빛이 틈을 지난 뒤에는 어떻게 되겠는가?

  1. 폭이 0.1mm인 가느다란 빛살로 계속 나아간다.
  2. 퍼짐각 1.0×10-3 rad 으로 위 아래로 퍼져간다.
  3. 퍼짐각 5×10-3 rad 으로 위 아래로 퍼져간다.
  4. 수렴각 1.0×10-3 rad 으로 한점에 모였다가 다시 퍼져간다.
(정답률: 61%)
  • 단일 슬릿을 통과한 빛은 회절 현상에 의해 퍼지게 되며, 퍼짐각은 파장과 슬릿 폭의 비율로 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $\theta = \frac{\lambda}{a}$ 퍼짐각 = 파장 / 슬릿 폭
    ② [숫자 대입] $\theta = \frac{5000 \times 10^{-10}}{0.1 \times 10^{-3}}$
    ③ [최종 결과] $\theta = 5 \times 10^{-3}$
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35. 진공 중에서의 파장이 450nm인 빛이 굴절률 1.5인 매질을 통과할 때 매질 내에서의 파장은?

  1. 100nm
  2. 200nm
  3. 300nm
  4. 400nm
(정답률: 81%)
  • 빛이 진공에서 매질로 들어갈 때, 매질의 굴절률에 반비례하여 파장이 짧아집니다.
    ① [기본 공식] $\lambda_{n} = \frac{\lambda_{0}}{n}$ 매질 내 파장 = 진공 중 파장 / 굴절률
    ② [숫자 대입] $\lambda_{n} = \frac{450}{1.5}$
    ③ [최종 결과] $\lambda_{n} = 300$
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36. 파장 λ인 빛을 굴절율 ns인 유리판에 수직으로 비춘다. 이 유리판에 굴절율 n(n＞ns)인 물질을 광학적 두께가 λ/4가 되게 입혀 주면 빛의 반사도는 막을 입히기 전과 비교하여 어떻게 변하는가?

  1. 변화가 없다.
  2. 반사도가 높아진다.
  3. 반사도가 낮아진다.
  4. 편광상태에 따르 다르다.
(정답률: 63%)
  • 굴절률 관계가 $n_s < n$인 상황에서 광학적 두께가 $\lambda/4$인 막을 입히면, 막의 윗면과 아랫면에서 반사된 빛이 모두 위상 변화를 겪어 보강 간섭을 일으킵니다. 따라서 막을 입히기 전보다 반사도가 높아지게 됩니다.
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37. 다음과 같은 푸리에(Fourier) 변환에 관한 물리적 의미가 옳은 것은? (단, 렌즈를 이용한 푸리에 변환과 연관하여 설명하며, 는 푸리에 변환을 의미한다.)

  1. 점광원은 평면파로 푸리에 변환된다.
  2. 점광원은 구면파로 푸리에 변환된다.
  3. 점광원은 가우시안파로 푸리에 변환된다.
  4. 점광원은 점광원파로 푸리에 변환된다.
(정답률: 62%)
  • 푸리에 변환의 물리적 의미에 따르면, 공간 영역에서의 델타 함수(점광원)는 주파수 영역에서 모든 주파수 성분을 동일하게 갖는 상수 함수로 변환됩니다. 렌즈를 이용한 광학적 푸리에 변환에서 이는 점광원이 평면파로 변환됨을 의미합니다.
    $$\mathcal{F}[\delta(x, y)] = 1$$
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38. 이중슬릿을 이용한 Young의 간섭실험에서 슬릿 사이의 간격은 0.5mm, 슬릿과 스크린 사이의 거리는 1m, 사용된 빛의 파장은 600nm일 때, 스크린에 생긴 간섭무늬를 사이의 거리는 1.2mm 이었다. 한쪽 슬릿의 뒤에 굴절률 1.5, 두께 0.01mm의 유리를 설치했을 때 간섭무늬가 이동하는 거리는?

  1. 0.5cm
  2. 1cm
  3. 1.5cm
  4. 5cm
(정답률: 50%)
  • 유리판을 설치하면 빛의 광로차가 발생하여 간섭무늬가 이동합니다. 이동 거리 $\Delta x$는 유리에 의한 광로차 $\Delta L$과 무늬 간격 $\Delta y$의 비율로 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $\Delta x = \frac{D}{d}(n-1)t$
    ② [숫자 대입] $\Delta x = \frac{1}{0.5 \times 10^{-3}}(1.5-1)(0.01 \times 10^{-3})$
    ③ [최종 결과] $\Delta x = 0.01$
    계산 결과 $0.01\text{m}$이므로, 이를 cm로 환산하면 $1\text{cm}$가 됩니다.
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39. 굴절률이 n인 비누막이 공기 중에 있을 때 파장이 λ인 광파가 수직으로 입사 후 비누막 윗면과 아랫면에서 반사하였다. 이 두 반사광이 1차 보강간섭을 일으키기 위한 비누막의 광학적 두께는?

  1. λ
  2. λ/2
  3. λ/4
  4. λ/8
(정답률: 78%)
  • 비누막의 윗면(공기→비누막)에서는 위상 변화가 일어나고, 아랫면(비누막→공기)에서는 위상 변화가 없습니다. 따라서 보강간섭 조건은 광학적 두께 $nd$가 $\frac{\lambda}{2}$의 홀수 배가 되어야 합니다.
    1차 보강간섭을 위한 최소 광학적 두께는 다음과 같습니다.
    $$nd = \frac{1}{2} \lambda$$
    하지만 문제에서 요구하는 1차 보강간섭의 조건(위상 반전 고려 시)에 따라 가장 기본이 되는 두께는 $\lambda/4$가 됩니다.
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40. 직경 1mm인 원형구멍에 500nm의 레이저광을 비추었다. 이 때 원형구멍으로부터 2m 떨어진 스크린 중앙에 생기는 가장 밝은 에어리(Airy) 원판의 반지름은?

  1. 1.22mm
  2. 12.2mm
  3. 2.44mm
  4. 24.4mm
(정답률: 75%)
  • 원형 구멍에 의한 회절 현상에서 에어리 원판의 반지름은 구멍의 직경, 파장, 스크린까지의 거리를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\text{반지름} = 1.22 \frac{\lambda L}{D}$
    ② [숫자 대입] $\text{반지름} = 1.22 \frac{500 \times 10^{-9} \times 2}{1 \times 10^{-3}}$
    ③ [최종 결과] $\text{반지름} = 1.22 \times 10^{-3} \text{ mm} = 1.22 \text{ mm}$
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3과목: 광학계측과 광학평가

41. 굴절률이 nH인 물질과 nL인 물질을 교대로 주기적으로 쌓아 고반사율 다층 박막을 만들 수 있다. nH ＞ nL 일 때, 공기 중의 파장 λ에 대해 반사율을 크게 만들려면 각 물질의 두께는 얼마인가?

  1. nH인 물질의 두께 = λ/4,
    nL인 물질의 두께 = λ/4
  2. nH인 물질의 두께 = λ/(4nH),
    nL인 물질의 두께 = λ/(4nL)
  3. nH인 물질의 두께 = λ/2,
    nL인 물질의 두께 = λ/2
  4. nH인 물질의 두께 = λ/(2nH),
    nL인 물질의 두께 = λ/(2nL)
(정답률: 47%)
  • 고반사율 다층 박막(Bragg Mirror)을 만들기 위해서는 각 층에서 반사된 빛들이 보강 간섭을 일으켜야 합니다. 이를 위해 각 층의 광학적 두께($n \times d$)가 입사광 파장의 $1/4$이 되는 $\lambda/4$ 층 구조를 가져야 합니다.
    $$\text{Thickness} = \frac{\lambda}{4n}$$
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42. 빛이 공기 중에서 굴절률 n인 물질로 수직 입사했을 때 반사율(reflectance)의 값은?

  1. (n-1) / (n+1)
  2. (n-1)2 / (n+1)2
  3. (n+1) / (n-1)
  4. (n+1)2 / (n-1)2
(정답률: 64%)
  • 빛이 서로 다른 굴절률을 가진 매질의 경계면에 수직으로 입사할 때, 반사율은 두 매질의 굴절률 차이에 의해 결정됩니다. 공기의 굴절률을 $1$, 물질의 굴절률을 $n$이라 할 때 반사율 공식은 다음과 같습니다.
    $$\text{Reflectance} = (\frac{n-1}{n+1})^2$$
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43. 광학유리는 렌즈 또는 프리즘 등을 이용하여 광학계에서 상을 전달할 때 사용되는데, 이때 상의 결함을 수차라 부른다. 자이델(Seidel)의 5가지 수차에 해당하지 않는 것은?

  1. 구면수차
  2. 코마수차
  3. 왜곡수차
  4. 광선수차
(정답률: 72%)
  • 자이델의 5가지 수차는 구면수차, 코마수차, 비점수차, 상면만곡, 왜곡수차입니다. 광선수차는 자이델의 분류에 포함되지 않는 용어입니다.
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44. 굴절률이 1.45인 평유리 4장을 겹쳐 포개면 입사에너지의 약 몇 %가 투과 하는가? (단, 유리의 의한 흡수는 무시하며, 유리-공기의 투과율은 공기-유리의 투과율과 같다고 가정한다.)

  1. 76%
  2. 87%
  3. 80%
  4. 85%
(정답률: 61%)
  • 유리 1장의 표면에서 발생하는 반사율을 먼저 구한 뒤, 4장의 유리를 통과할 때(총 8개의 표면)의 투과율을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $T = (1 - R)^{n}$ (단, $R = \frac{(n-1)^{2}}{(n+1)^{2}}$, $n$은 표면 수)
    ② [숫자 대입] $T = (1 - \frac{(1.45-1)^{2}}{(1.45+1)^{2}})^{8} = (1 - 0.0337)^{8}$
    ③ [최종 결과] $T = 0.76$ (약 76%)
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45. 복사세기가 I인 점광원에서 거리 R만큼 떨어진 곳의 복사입사율이 E0 일 때, 거리 2R에서의 복사 입사율은 얼마인가?

  1. 0.25E0
  2. 0.5E0
  3. E0
  4. 4E0
(정답률: 65%)
  • 점광원에서 나오는 복사입사율은 거리의 제곱에 반비례합니다.
    ① [기본 공식] $E = \frac{I}{R^{2}}$
    ② [숫자 대입] $E_{2R} = \frac{I}{(2R)^{2}} = \frac{I}{4R^{2}}$
    ③ [최종 결과] $E_{2R} = 0.25E_{0}$
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46. 대형 망원경은 대개 굴절형이 아니고 반사형이다. 그 이유에 대한 설명으로 틀린 것은?

  1. 대형 렌즈 보다는 대형 거울이 가공하기 용이하기 때문이다.
  2. 대형 렌즈 보다는 대형 거울의 무게를 줄이기가 용이하기 때문이다.
  3. 렌즈보다 거울을 사용함으로써 색수차를 크게 할 수 있기 때문이다.
  4. 대형 렌즈의 무게에 의한 망원경 통이 휘어질 가능성이 높기 때문이다.
(정답률: 67%)
  • 반사 망원경은 거울을 사용하므로 렌즈에서 발생하는 색수차가 전혀 발생하지 않는다는 것이 핵심 장점입니다. 따라서 색수차를 크게 한다는 설명은 틀린 내용입니다.
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47. 핀홀 카메라에 의한 상의 형태는?

  1. 정립허상
  2. 정립실상
  3. 도립실상
  4. 도립허상
(정답률: 65%)
  • 핀홀 카메라는 아주 작은 구멍을 통해 빛이 직선으로 들어오기 때문에, 물체의 윗부분은 아래에, 아랫부분은 위에 맺히는 도립상이며 실제로 스크린에 상이 맺히는 실상입니다.
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48. 회절격자를 이용한 단색화 장치의 입력 슬릿과 출력 슬릿의 폭을 결정할 때 고려 할 사항으로 가장 중요한 것은?

  1. 회절격자의 크기
  2. 회절격자의 중심파장
  3. 회절격자 초점의 위치
  4. 회절격자의 분해능과 광의 세기
(정답률: 58%)
  • 슬릿의 폭이 좁을수록 분해능은 향상되지만 통과하는 광량은 줄어듭니다. 따라서 단색화 장치 설계 시에는 분해능(정밀도)과 광의 세기(신호 강도) 사이의 최적의 균형을 맞추는 것이 가장 중요합니다.
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49. 산화물 중에서 렌지의 아베수와 굴절률을 크게 하고 무게를 가볍게 하는 주요성분은?

  1. PbO
  2. BaO
  3. TiO2
  4. B2O3
(정답률: 65%)
  • 산화물 유리 성분 중 $TiO_{2}$는 굴절률을 높이면서도 아베수를 크게 유지(분산 억제)할 수 있게 하며, 상대적으로 가벼운 특성을 부여하는 주요 성분입니다.
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50. 그림과 같은 형태로 구성된 회절격자 분광사진기(Spectrograph) 형태의 명칭은?

  1. Littrow 형
  2. Paschen 형
  3. Ebert - Fastie 형
  4. Czerny - Turner 형
(정답률: 62%)
  • 제시된 이미지 는 하나의 거울이 콜리메이팅(평행광 만들기)과 포커싱(집광) 역할을 동시에 수행하는 구조로, 이는 Ebert - Fastie 형 분광기의 전형적인 특징입니다.
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51. 사진기 Auto Focusing을 위한 Active Type 삼각거리측정 방식에서 거리측정기준으로 사용되는 것은?

  1. 피사체 반사광량
  2. 피사체 반사각도
  3. 피사체 반사시간
  4. 피사체 콘트라스트
(정답률: 44%)
  • Active Type 삼각거리측정 방식은 발광부에서 빛을 쏘아 피사체에서 반사되어 돌아오는 빛의 각도를 측정하여 거리를 계산하는 원리를 사용하므로, 거리측정기준은 피사체 반사각도가 됩니다.
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52. 승용차의 운전석 반대편의 사이드 거울에 관한 특성으로 옳은 것은?

  1. 곡면이 안으로 오목하다.
  2. 상은 항상 실물보다 크다.
  3. 거꾸로 된 상을 형성할 수 있다.
  4. 우리가 보는 상은 항상 허상이다.
(정답률: 68%)
  • 사이드 거울은 넓은 시야를 확보하기 위해 볼록거울을 사용하며, 볼록거울은 빛을 발산시켜 항상 실물보다 작고 똑바로 선 허상을 형성합니다.

    오답 노트
    곡면이 안으로 오목하다: 볼록거울이므로 바깥으로 볼록함
    상은 항상 실물보다 크다: 실물보다 작게 보임
    거꾸로 된 상을 형성: 항상 똑바로 선 상을 형성함
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53. 광학계의 입사동(entrance pupil)에 관한 설명으로 틀린 것은?

  1. 광학계의 첫 번째 렌즈는 항상 입사동이다.
  2. 주광선(chief ray)은 입사동의 중심을 지난다.
  3. 가장자리 광선(marginal ray)은 입사동의 가장자리를 지난다.
  4. 구경 조리개(aperture stop)의 앞에 있는 렌즈들에 의해 맺혀지는 구경 조리개의 상이다.
(정답률: 67%)
  • 입사동은 구경 조리개를 첫 번째 렌즈들로 보았을 때 맺히는 상을 의미하며, 첫 번째 렌즈 자체가 입사동인 것은 아닙니다.

    오답 노트
    주광선은 입사동의 중심을 지남: 옳은 설명
    가장자리 광선은 입사동의 가장자리를 지남: 옳은 설명
    구경 조리개의 상: 입사동의 정의임
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54. 초점거리가 16mm인 현미경 대물렌즈의 배율은 얼마인가? (단, 현미경의 경통길이는 160mm 이다.)

  1. 5배
  2. 10배
  3. 15배
  4. 20배
(정답률: 74%)
  • 현미경 대물렌즈의 배율은 경통길이를 초점거리로 나눈 값으로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $M = \frac{L}{f}$ 배율 = 경통길이 / 초점거리
    ② [숫자 대입] $M = \frac{160}{16}$
    ③ [최종 결과] $M = 10$
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55. 다음 ( ) 안에 들어갈 내용으로 옳은 것은?

  1. ㉠ 확대, ㉡ 수축
  2. ㉠ 축소, ㉡ 수축
  3. ㉠ 축소, ㉡ 이완
  4. ㉠ 확대, ㉡ 이완
(정답률: 60%)
  • 밝은 곳으로 나오면 빛의 양을 조절하기 위해 홍채가 축소되며, 가까운 곳($3\text{m}$)을 보기 위해 수정체가 두꺼워져야 하므로 이를 조절하는 모양체근(괄약근)이 수축하여 초점거리를 짧게 만듭니다.
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56. 다음 중 광학유리에서 역학적 및 열역학적 성질을 나타내는 것은?

  1. ㉠, ㉡
  2. ㉠, ㉡, ㉣
  3. ㉠, ㉡, ㉣, ㉤
  4. ㉠, ㉡, ㉢, ㉣, ㉤
(정답률: 50%)
  • 광학유리의 성질 중 비중, 팽창률, Young률, 경도, 비열은 모두 유리의 물리적 강도나 열적 반응과 관련된 역학적 및 열역학적 성질에 해당합니다.
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57. 렌즈로부터 10cm 떨어진 물체의 상이 렌즈의 다른 편 30cm 위치에 생겼다. 이 때 렌즈의 초점거리는 얼마인가?

  1. 7.5cm
  2. 10cm
  3. 15cm
  4. 30cm
(정답률: 49%)
  • 렌즈의 초점거리를 구하기 위해 물체 거리 $s$와 상 거리 $s'$를 이용한 얇은 렌즈 공식을 적용합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{1}{f} = \frac{1}{s} + \frac{1}{s'}$
    ② [숫자 대입] $\frac{1}{f} = \frac{1}{10} + \frac{1}{30}$
    ③ [최종 결과] $f = 7.5$
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58. 그림과 같은 Projection system에서 결상렌즈의 초점거리는 약 얼마인가? (단, y = 14.1mm, y′ = 1,200mm, b = 4,250mm)

  1. 35.7mm
  2. 49.4mm
  3. 59.5mm
  4. 70.5mm
(정답률: 54%)
  • 결상렌즈의 초점거리를 구하기 위해 렌즈 공식과 배율 관계를 이용합니다. 물체 거리 $s = g$이고 상 거리 $s' = b$ 일 때, 배율 $m = \frac{y'}{y} = \frac{s'}{s}$ 관계를 통해 $g$를 먼저 구한 후 초점거리를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $f = \frac{s \cdot s'}{s + s'}$
    ② [숫자 대입] $s = \frac{y \cdot b}{y'} = \frac{14.1 \cdot 4250}{1200} = 49.93, \quad f = \frac{49.93 \cdot 4250}{49.93 + 4250}$
    ③ [최종 결과] $f = 49.4$
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59. 레이저가 결정에 입사된 후 파장이 변화하여 산란되는 현상을 나타내는 것은?

  1. 라만(Raman) 효과
  2. 레일리(Rayleigh) 효과
  3. 뫼스바우어(Mössbauer) 효과
  4. 제만(zeeman) 효과
(정답률: 53%)
  • 빛이 물질(결정)과 상호작용하여 산란될 때, 입사광의 에너지와 산란광의 에너지 차이가 발생하여 파장이 변하는 현상을 라만(Raman) 효과라고 합니다.
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60. 현미경 사용 시 대물렌즈와 물체 사이에 굴절률이 큰 액체를 넣어 사용하는데 이와 관련된 설명으로 틀린 것은?

  1. 분해능을 높인다.
  2. 경계면에서 반사를 줄인다.
  3. 상의 콘드라스트를 향상시킨다.
  4. 개구수를 작게 하는 효과를 얻는다.
(정답률: 40%)
  • 대물렌즈와 물체 사이에 굴절률이 큰 액체(이머전 오일 등)를 넣으면 매질의 굴절률 $n$이 증가하여 개구수(Numerical Aperture, $NA = n \sin \theta$)가 커지게 됩니다. 개구수가 커지면 더 많은 빛을 모을 수 있어 분해능이 향상되고, 경계면의 굴절률 차이를 줄여 반사를 감소시키며 콘트라스트를 높이는 효과가 있습니다.

    오답 노트
    개구수를 작게 하는 효과를 얻는다: 굴절률이 큰 액체를 사용하면 개구수는 오히려 커집니다.
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4과목: 레이저 및 광전자

61. 광축이 z축인 단축결정체(uniazial crystal)에 외부로부터 가해지는 전자장이 없는 때, 이 결정체의 굴절률-타원체의 방정식이 될 수 있는 것은? (단, 여기서 x, y, z는 결정축을 나타내며, no, ne는 각각 정상광선과 이상광선의 굴절률이다.)

(정답률: 60%)
  • 단축결정체에서 광축이 $z$축일 때, $x$축과 $y$축 방향으로는 동일한 굴절률 $n_{o}$(정상광선)를 가지며, $z$축 방향으로는 $n_{e}$(이상광선)의 굴절률을 가집니다. 이를 타원체 방정식으로 나타내면 $\frac{x^{2}}{n_{o}^{2}} + \frac{y^{2}}{n_{o}^{2}} + \frac{z^{2}}{n_{e}^{2}} = 1$이 됩니다.
    따라서 정답은 입니다.
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62. 파장이 λ인 선형 편광된 레이저 빛을 원형 편광된 레이저 빛으로 변환시키려고 할 때 사용하여야 할 광학소자는?

  1. λ/4 판
  2. λ/2 판
  3. λ 판
  4. 2λ 판
(정답률: 55%)
  • 선형 편광을 원형 편광으로 변환하기 위해서는 서로 직교하는 두 편광 성분 사이에 $90^{\circ}$ ($\pi/2$ 라디안)의 위상차를 만들어야 합니다. 파장 $\lambda$의 빛에 대해 위상차 $\pi/2$를 주는 소자는 $\lambda/4$ 판입니다.
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63. 레이저 천공의 장점으로 틀린 것은?

  1. 큰 깊이
  2. 비 접촉 가공
  3. 높은 열처리량
  4. 열영향 부위가 작음
(정답률: 58%)
  • 레이저 천공은 고에너지 빔을 집중시켜 재료를 제거하는 방식으로, 열영향 부위가 작고 비접촉 가공이 가능하며 정밀도가 높습니다. 하지만 레이저 빔의 특성상 깊이가 깊어질수록 빔의 직경이 커지는 테이퍼 현상이 발생하여 큰 깊이의 구멍을 정밀하게 뚫는 데는 한계가 있습니다.
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64. 평면 거울과 평면 부분 반사경으로 구성된 레이저 공진기 길이가 1cm 일 때, 이 공진기에서 발진된 레이저의 종모드 주파수로 옳은 것은? (단, 공진기 내부는 진공이다.)

  1. 10 GHz
  2. 15 GHz
  3. 20 GHz
  4. 25 GHz
(정답률: 55%)
  • 공진기 내에서 발진 가능한 종모드 주파수는 공진기 길이의 정수배 파장이 형성될 때 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $\nu = m \frac{c}{2L}$
    ② [숫자 대입] $\nu = m \frac{3 \times 10^{8}}{2 \times 0.01} = m \times 15 \times 10^{9}$
    ③ [최종 결과] $\nu = 15\text{ GHz} \times m$ (m=1일 때 15 GHz)
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65. 파장 0.6328 μm인 He-Ne 레이저의 경우 레이저 공진기의 길이를 50cm라 할 때, 종모드의 간격은 얼마인가?

  1. 75 MHz
  2. 150 MHz
  3. 300 MHz
  4. 600 MHz
(정답률: 47%)
  • 레이저 공진기 내에서 인접한 종모드 간의 주파수 간격은 공진기 길이와 빛의 속도를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta\nu = \frac{c}{2L}$
    ② [숫자 대입] $\Delta\nu = \frac{3 \times 10^{8}}{2 \times 0.5}$
    ③ [최종 결과] $\Delta\nu = 300 \times 10^{6} = 300\text{ MHz}$
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66. 횡모드(transverse mode)의 공간적 분포가 그림과 같은 레이저가 있다. 이 레이저의 공간 모드는?

  1. TEM00
  2. TEM10
  3. TEM11
  4. TEM20
(정답률: 54%)
  • 레이저의 횡모드 $\text{TEM}_{mn}$에서 $m$과 $n$은 각각 $x$축과 $y$축 방향의 마디(node) 수를 의미합니다. 이미지에서 가로 방향으로 1개, 세로 방향으로 1개의 마디가 존재하여 빔이 4개로 분리되어 보이므로 $\text{TEM}_{11}$ 모드입니다.
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67. 파장이 1065nm인 네오디뮴 야그(Nd YAG) 레이저의 진동수(Hz)는?

  1. 2.82×1012
  2. 2.82×1014
  3. 5.35×1013
  4. 5.35×1015
(정답률: 56%)
  • 빛의 속도는 파장과 진동수의 곱과 같으므로, 진동수는 빛의 속도를 파장으로 나누어 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $f = \frac{c}{\lambda}$
    ② [숫자 대입] $f = \frac{3 \times 10^8}{1065 \times 10^{-9}}$
    ③ [최종 결과] $f = 2.82 \times 10^{14}$
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68. 결정에 전압을 걸어 주었을 때 가해준 전기장의 세기에 비례하여 굴절률이 변화하는 효과는?

  1. Kerr 효과
  2. Pockels 효과
  3. Faraday 효과
  4. Cotton - Mouton 효과
(정답률: 54%)
  • 전기장의 세기에 선형적으로 비례하여 굴절률이 변화하는 현상을 Pockels 효과라고 합니다.

    오답 노트
    Kerr 효과: 전기장의 세기의 제곱에 비례하여 굴절률 변화
    Faraday 효과: 자기장에 의해 편광면이 회전하는 현상
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69. 두께 L = 6.25×10-3mm의 단축 결정체(uniaxial crystal)에 그림과 같이 5000Å의 선편광된 빛이 입사되었다. 결정체를 지난 빛이 원편광되어 나온다면, 이 결정체의 λ = 5000Å에 대한 상광선과 이상광선의 굴절률의 차(△ = no - ne)는 얼마인가?

  1. 0.01
  2. 0.02
  3. 0.03
  4. 0.04
(정답률: 50%)
  • 선편광된 빛이 단축 결정체를 통과하여 원편광이 되기 위해서는 위상차가 $\frac{\pi}{2}$ (또는 $\frac{\lambda}{4}$ 파장차)가 발생하는 사분파장판(Quarter Wave Plate) 조건이어야 합니다.
    위상차 공식 $\Delta = \frac{2\pi L(n_o - n_e)}{\lambda}$에서 원편광 조건인 $\Delta = \frac{\pi}{2}$를 이용하여 굴절률 차이를 구합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta n = n_o - n_e = \frac{\lambda}{4L}$
    ② [숫자 대입] $\Delta n = \frac{5000 \times 10^{-10}}{4 \times 6.25 \times 10^{-3} \times 10^{-3}}$
    ③ [최종 결과] $\Delta n = 0.02$
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70. 광 결정체의 유전 텐서(dielectric tensor)는 언제나 와 같이 대각화할 수 있다. 다음 중 쌍축 결정(biaxial crystal)의 경우는 어느 것인가?

  1. ε1 = ε2 ≠ ε3
  2. ε1 = ε2 = ε3 ≠ 1
  3. ε1 ≠ ε2 ≠ ε3
  4. ε1 = ε2 = ε3 ≠ 0
(정답률: 54%)
  • 광 결정체의 유전 텐서 $\epsilon = \begin{pmatrix} \epsilon_1 & 0 & 0 \\ 0 & \epsilon_2 & 0 \\ 0 & 0 & \epsilon_3 \end{pmatrix}$에서 세 방향의 유전율이 모두 서로 다른 경우를 쌍축 결정(biaxial crystal)이라고 합니다.

    오답 노트
    $\epsilon_1 = \epsilon_2 \neq \epsilon_3$: 단축 결정(uniaxial crystal)
    $\epsilon_1 = \epsilon_2 = \epsilon_3$: 등방성 결정(isotropic crystal)
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71. 등방성 물질은 클로로포름에서 관찰할 수 있는 효과는?

  1. 커(Kerr) 효과
  2. 포컬스(Pockels) 효과
  3. 광전(photoelectric) 효과
  4. 광굴절(photorefractive) 효과
(정답률: 42%)
  • 커(Kerr) 효과는 등방성 매질에 강한 전기장을 가했을 때 굴절률이 변하는 2차 비선형 광학 현상으로, 클로로포름과 같은 액체에서 관찰됩니다.

    오답 노트
    포컬스(Pockels) 효과: 비중심대칭성 결정(이방성 매질)에서만 발생
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72. 파장 500nm의 이상적인 레이저 광속을 w0가 5μm가 되도록 그림과 같이 집속하였다. Beam waist에서 z만큼 떨어진 곳에서 파면의 곡률반경을 R(z)라 할 때, R(z)의 최솟값은 얼마인가?(문제 오류로 가답안 발표시 3번으로 발표되었지만 확정답안 발표시 모두 정답처리 되었습니다. 여기서는 가답안인 3번을 누르면 정답 처리 됩니다.)(모두 확정답안 처리된 이유는 실제 시험에서 그림이 누락되어서 입니다. 참고하세요.)

  1. 157μm
  2. 250μm
  3. 314μm
  4. 500μm
(정답률: 45%)
  • 가우시안 빔의 파면 곡률반경 $R(z)$는 $z=0$인 Beam waist 지점에서 최솟값을 가지며, 이때의 값은 레일리 거리($z_R$)와 같습니다.
    ① [기본 공식] $R_{min} = \frac{\pi w_0^2}{\lambda}$
    ② [숫자 대입] $R_{min} = \frac{3.14 \times (5 \times 10^{-6})^2}{500 \times 10^{-9}}$
    ③ [최종 결과] $R_{min} = 314 \text{ μm}$
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73. 빨간색을 출력하는 반도체 레이저는?

  1. InGaN
  2. InGaAsP
  3. ZnSSe
  4. AlGaInP
(정답률: 48%)
  • AlGaInP는 밴드갭 조절을 통해 가시광선 영역 중 특히 빨간색 파장의 빛을 효율적으로 출력할 수 있는 재료입니다.

    오답 노트
    InGaN: 청색/자색 광원
    InGaAsP: 적외선 광원
    ZnSSe: 청색 광원
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74. 굴절률 타원체(index ellipsoid) 방정식이 0.4X2 + 0.4Y2 + 0.3Z2 = 1인 매질에서 x축 방향으로 편극된 광의 굴절률은 약 얼마인가?

  1. 1.38
  2. 1.48
  3. 1.58
  4. 1.68
(정답률: 49%)
  • 굴절률 타원체 방정식 $\frac{X^2}{n_x^2} + \frac{Y^2}{n_y^2} + \frac{Z^2}{n_z^2} = 1$에서 각 축의 계수는 굴절률의 역수의 제곱($\frac{1}{n^2}$)과 같습니다. x축 방향 편극 광의 굴절률 $n_x$를 구하면 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $n_x = \frac{1}{\sqrt{A}}$
    ② [숫자 대입] $n_x = \frac{1}{\sqrt{0.4}}$
    ③ [최종 결과] $n_x = 1.58$
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75. GaAs 반도체 재료는 실온에서 1.4eV의 에너지 밴드의 갭을 갖고 있다. GaAs를 사용한 반도체레이저의 발진파장은?

  1. 805nm
  2. 886nm
  3. 924nm
  4. 975nm
(정답률: 53%)
  • 반도체 레이저의 발진 파장은 에너지 밴드갭과 반비례 관계에 있으며, 플랑크 상수와 광속을 이용해 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\lambda = \frac{hc}{E_g}$
    ② [숫자 대입] $\lambda = \frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^8}{1.4 \times 1.602 \times 10^{-19}}$
    ③ [최종 결과] $\lambda = 886 \text{ nm}$
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76. 빛의 성질을 말할대 파동광학적으로만 설명되는 현상은?

  1. 직진
  2. 반사
  3. 굴절
  4. 회절
(정답률: 59%)
  • 빛의 직진, 반사, 굴절은 기하광학(광선광학)으로도 충분히 설명이 가능하지만, 빛이 장애물을 돌아나가는 회절 현상은 오직 파동의 성질을 이용한 파동광학으로만 설명될 수 있습니다.
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77. 엑시머 레이저의 종류와 발진 파장의 연결이 틀린 것은?

  1. Ar2 - 126nm
  2. ArF - 193nm
  3. Xe2 - 222nm
  4. KrF – 248nm
(정답률: 52%)
  • 엑시머 레이저는 희가스와 할로겐 원소의 결합물로 이루어집니다. XeF의 발진 파장이 $222\text{nm}$이며, $\text{Xe}_2$는 일반적인 엑시머 레이저의 구성 성분이 아닙니다.

    오답 노트
    $\text{Ar}_2$: $126\text{nm}$ 정상
    ArF: $193\text{nm}$ 정상
    KrF: $248\text{nm}$ 정상
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78. 레이저 출력을 높이는 방법 중 모드잠금(mode-locking)이 있다. 이 방법은 어느 부분에 해당되는가?

  1. 광변조(optical modulation)
  2. 광여기(optical excitation)
  3. 광합성(optical mixing)
  4. 광산란(optical scattering)
(정답률: 54%)
  • 모드잠금(mode-locking)은 레이저 공진기 내의 여러 종모드들의 위상을 고정시켜 매우 짧은 펄스 형태의 고출력 빛을 만드는 기술로, 이는 빛의 특성을 조절하는 광변조(optical modulation)의 일종입니다.
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79. 파장이 λ인 레이저의 선폭이 △λ이고, 이 레이저의 가간섭 길이(coherence length)가 lc 일 때, △λ×lc와 같은 양을 표현한 것은?

  1. 1
  2. λ
  3. λ2
  4. λ3
(정답률: 60%)
  • 가간섭 길이 $l_c$는 광원의 선폭 $\Delta\lambda$와 파장 $\lambda$의 관계식 $l_c = \frac{\lambda^2}{\Delta\lambda}$로 정의됩니다. 이를 $\Delta\lambda \times l_c$ 형태로 정리하면 $\lambda^2$이 도출됩니다.
    $$\Delta\lambda \times l_c = \lambda^2$$
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80. 서로 다른 두 레이저의 발진파장이 각각 0.5μm 와 1.06μm이다. 두 레이저 빛을 자유공간 내에서 서로 중첩시켰을 때 중첩된 부분에서 일어나는 현상으로 옳은 것은?

  1. 0.56μm 인 빛이 생성된다.
  2. 1.06μm 인 빛이 소멸된다.
  3. 1.56μm 인 빛이 생성된다.
  4. 새로운 파장의 빛은 생성되지 않는다.
(정답률: 47%)
  • 서로 다른 파장을 가진 두 빛이 자유공간에서 중첩될 때, 비선형 매질이 없는 한 단순한 간섭 현상만 일어날 뿐 새로운 파장의 빛이 생성되는 파장 변환은 일어나지 않습니다.
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