전반사와 광통신

빛은 각 파장에 따라서 굴절되는 양이 다르다. 파장이 길수록 굴절이 적게 되며, 파장이 짧을수록 굴절이 많이 된다. 가시광선 영역에서는 파장이 긴 빨간색이 꺾이는 양보다 보라색이 꺾이는 양이 더 작다. 그래서 약 430~600 nm 사이의 파장을 갖는 빛이 골고루 섞인 백색광은 굴절을 하면서 각각의 파장에 따라 굴절되는 양이 달라지게 되는데 이를분산이라고 부른다. 분산은 아이작 뉴턴(Issac Newton)이 프리즘을 연구하면서 처음 발견했다. 아이작 뉴턴은 프리즘으로 백색광인 햇볕이 모든 빛을 포함하고 있어 이를 분해할 수 있으며, 분해된 빛을 다시 합치면 백색광이 됨을 실험으로 보였다.

분산의 대표적인 예는 무지개를 들 수 있다. 무지개의 빛깔은 매우 다양한데, 동양과 유럽/북미에서는 7가지 색이라고 보며, 그 밖의 지역에서는 4~10가지로 보는 곳도 있다. 이러한 차이는 각 문화권의 관습에 따른 것이다.

굴절되는 양에 대한 수식을 완성한 사람의 이름을 따서 스넬의 법칙(Snell's law)이라 부르고, 진공과 비교하여 굴절된 양에 대한 계산량을 (절대)굴절률이라고 부른다. 굴절률은 일반적으로 상수 또는 파장에 따른 함수 상태로 나타나며, 때때로 굴절률이 텐서의 형태를 보이는 물질도 존재한다.

임의의 두 지점 사이를 움직이는 광자는 이동시간이 가장 짧은 경로를 택해서 움직인다는 기본적인 공리가 있다. 이런 공리를 만든 사람의 이름을 따서 이 공리를 페르마의 원리라고 부른다. 페르마의 원리는 오랜 시간 동안 해석되지 않고 있다가 리처드 파인만(Richard P. Feynman)이 비로소 해석하였다. 리처드 파인만의 해석은 현재 양자전기역학(QED)으로 잘 알려져 있으며, 계속 발전하여 현재는 모든 자연현상을 기본적으로 설명하는 기본 원리로 여겨지고 있다.

전반사

전반사 현상

(1) 전반사 : 두 매질의 경계면에서 빛이 전부 반사되는 현상

① 임계각 : 빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 진행할 때, 입사각을 서서히 증가시키면 굴절각이 90°가 되는 순간이 있다. 이 때의 입사각을 임계각이라고 한다.

  

② 전반사 : 입사각이 임계각보다 크면 빛은 굴절하지 않고 전부 반사되는데, 이를 전반사라고 한다.

③ 임계각 : 빛이 굴절률이 n인 매질에서 굴절률이 1인 공기중으로 임계각 ic로 입사하면 굴절각이 90°가 된다. 따라서 다음 관계가 성립된다.

  

④ 전반사 조건

- 빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행하여야 한다.

- 입사각이 임계각보다 커야 한다.

(2) 전반사의 이용

① 광섬유 - 내부의 굴절률이 큰 코어와 굴절률이 작은 바깥쪽의 클래드의 이중구조로 되어 있다. 코어에 입사한 빛이 코어와 클래드의 경계면에서 전부 반사하므로 에너지 손실 없이 정보를 멀리까지 보낼 수 있다.

② 전반사 프리즘 : 빛의 진행방향을 90°나 180° 바꾸는 쌍안경이나 사진기 등에 이용된다.