Plane Wave, Sperical Wave   평면파, 구면파

(2018-01-30)

평면 전자파

1. `평면파`, `구면파`, `가우스 빔` 비교

  ㅇ 두 극단적이고 단순화시킨 파형 모형
     - 평면파는, 파동 에너지가 파 진행 방향으로 전 공간에 걸쳐 무한 평면 형태로 퍼져나감
     - 구면파는, 파동 에너지가 한 점에서 모든 방향으로 동일하게 퍼져나가는(발산하는) 형태

  ㅇ 한편, 레이저 출력과 같은 빔 형태는,  
     - 두 극단적이고도 단순한 평면파,구면모형과 달라서, 다소 복잡함
     - 레이저 실제 출력은, 실제 빔 형태와 매우 비슷한 `가우스 빔`으로 모형화하는 것이
                           해석하기에 더 나음


2. 구면파 (Sperical Wave)파면의 형상이 구면(球面)
     - 파의 원천이 되는 곳에서 점원을 중심으로 구형(球形)파의 형태로 방사되는 파(波)


3. 평면파 (Plane Wave)파면의 형상이 평면(平面)
     - 구면파가 먼 거리를 진행한 후에는 근사적으로 평면적인 파형으로 간주할 수 있음
        . 이 때의 한없이 뻗어져 있는 평편한 파를 평면파(plane wave)라고 함

  ㅇ 평면파는 3차원 파동의 가장 간단한 예 
     - 각종 광학기구에 의해 쉽게 근사시킬 수 있음
        . 즉, 광학계에서 전자기파 파동의 이론적 모형임 

  ㅇ 진행파 위상이 동일한 무한 평면에 있다고 가정
     - 즉, 동일 무한 위상면이 평면 이동하며 진행하는 파(波)
        . 전자기파는 이 평면 위에 개별 파동전계자계가 항상 수직하며 공존
           .. 즉, 전계자계가 항상 수직하면서 동위상

  ㅇ 균일 평면파 (Uniform Plane Wave)
     - 전계 등 성분 벡터의 크기 및 위상이 진행방향에 수직한 파면 위 모든 점에서 동일
        . 보통, 평면파라고 할 때 균일 평면파를 지칭할 때가 많음


4. 평면파 특징등방성 매질 또는 자유공간(무손실)에서 직진하는 파가 평면파에 속함.
     - 즉, 평면파는 도파(Guided Wave)됨이 없이 자유공간을 통해 진행하는 공간파를 지칭

     - 전자기파등방성 매질내를 진행할 경우에 진동 성분별로 살펴볼 때,
        . 진행방향으로는 전계 또는 자계 성분이 없으며,
           .. 진행방향에 수직한 전계자계 성분 만을 갖음. ☞ 횡파

     - 한편, 이러한 평면파를 `TEM파`라고도 부름

  ㅇ 평면파는 매질내 원천(source)을 포함하지 않는 전자계 전파 현상으로 볼 수 있음
     - 이 계는 4개의 결합된 맥스웰방정식을 만족해야함


5. 평면파, TEM 파, 비 TEM 파(비 평면파) 비교TEM 파는 더 포괄적 개념으로 평면파를 포함 함
     - 평면파 : 무한 평면 상에서 전계자계가 진행방향에 상호 수직이며, 항상 위상이 같음
     - TEM 파 : 전계자계가 상호 수직하며, 
                보통은 동일 위상이나 굳이 위상까지 같을 필요 없음 (즉, 덜 엄격하게 정의됨)

  ㅇ 비 TEM 파(비 평면파) => TE 파,TM 파 
     - 맥스웰방정식으로부터 유도된 파동방정식에서 도파관 형태에 따른 경계조건 차이로 인해
       진행방향 및 특정 Field 성분(E 또는 H)이 다르게 특징되어 규정됨
     * 통상, 도파관 내 갇혀 진행하는 전자기파
        . 속이 빈 도파관에서는 TEM 파가 발생하지 않음


[평면파 기초] 1. 평면파 2. 입사파 3. 파면 4. 횡파 5. 편파 6. 헬름홀츠 방정식
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