빛의 전반사 현상이 일어나기 위한 두 가지 필수 조건

Question

광섬유나 수중 조명 등에서 볼 수 있는 빛의 전반사 현상이 성립하기 위해서는 진행하는 매질의 굴절률 조건과 입사각의 크기가 임계각에 비해 어떠해야 하는지 자세히 가르쳐주세요.

Answer 1

안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.

빛의 전반사 현상이 성립하기 위해서는 먼저 빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질로 진행해야 하며 이는 광섬유의 코어와 클래딩 구조의 기본 원리가 됩니다. 두 번째 조건으로는 빛이 두 매질의 경계면에 들어가는 입사각이 해당 매질 조합의 임계각보다 반드시 크거나 같아야 경계면 밖으로 굴절되어 나가는 빛 없이 모두 내부로 반사됩니다. 만약 입사각이 임계각보다 작으면 빛의 일부는 굴절되어 투과하고 일부만 반사되지만 임계각을 넘어설 때 비로소 굴절각이 90° 이상이 되어 빛 에너지가 100% 매질 내부로만 도달하는 완벽한 전반사가 일어납니다. 결과적으로 고굴절률→저굴절률 매질 진행과 입사각 ≥ 임계각이라는 두 가지 조건을 동시에 만족할 때 광섬유나 수중 조명처럼 빛을 손실 없이 원하는 경로로 멀리 전달할 수 있게 됩니다

Answer 2

안녕하세요. 이수민 전문가입니다.

전반사가 일어나려면 빛이 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 나아가야 하고, 입사각이 임계각보다 커야 해요.

스넬 법칙 n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂에서 n₁이 n₂보다 크면 굴절각 θ₂가 항상 입사각 θ₁보다 커요. 입사각을 키우다 보면 굴절각이 먼저 90°에 닿아 빛이 경계면을 따라 스치듯 나가는데, 이때의 입사각이 임계각이고 sinθc = n₂/n₁로 구해요. 입사각이 이보다 커지면 sinθ₂가 1을 넘어야 해서 굴절이 불가능해지고, 빛은 전부 반사돼요. 공기에서 물로 들어가는 것처럼 굴절률이 커지는 쪽으로 가면 굴절각이 입사각보다 작아서 입사각을 아무리 키워도 전반사가 생기지 않아요.

물에서 공기로 나갈 때 임계각은 약 48.8°예요. 수영장 바닥에서 수면을 올려다보면 위쪽 원 안으로만 하늘이 보이고 그 바깥은 거울처럼 바닥이 비쳐 보여요. 광섬유는 코어 굴절률을 1.48, 바깥 클래딩을 1.46 정도로 조금 낮춰 임계각이 약 80.6°가 되고, 축에 거의 나란히 들어온 빛이 경계에서 전반사를 반복하며 수십 km를 나아가요 :)

Answer 3

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절율이 작은 매질로 진행할때 전반사가 일어 납니다. 예를 들어 공기중에서 물로 빛이 들어갈때 발생합니다. 공기는 굴절률이 낮고 물은 굴절률이 크기 때문입니다.

빛의 입사각이 두매질 사이의 임계각 보다 커야 하는데, 이는 굴절각이 90도가 되는 입사각을 말합니다. 이런 조건이면 경계면에서 빛이 꺽이지 않고 모두 반사됩니다. 이 두가지 조건이 충족되면 빛은 경계면을 통과하여 밖으로 나가지 못하고 에너지 손실없이 100% 내부로만 반사되게 됩니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다:)

Answer 4

안녕하세요. 박재화 박사입니다.

빛의 전반사가 일어나려면 먼저 빛이 굴절률이 큰 매질에서 굴절률이 작은 매질 쪽으로 진행해야 합니다. 예를 들면, 물에서 공기 쪽이나 유리에서 공기 쪽으로 빛이 나갈 때 전반사가 일어날 수 있게 됩니다.

다음 조건은 입사각이 임계각보다 커야 한다는 조건입니다. 여기서 입사각은 경계면이 아니라 경계면에 수직인 선을 기준으로 재는 것을 알고 계셔야 해요. 입사각이 임계각보다 작으면 일부 빛이 다른 매질로 굴절해 나가고, 임계각에서는 굴절된 빛이 경계면을 따라 진행하게 됩니다.

입사각이 임계각보다 커지면 빛이 밖으로 굴절하지 못하고 원래 매질 안으로 모두 반사되는데, 이것이 전반사라고 하는 것입니다.

결국 전반사의 핵심 조건은 높은 굴절률에서 낮은 굴절률로 진행할 것, 그리고 입사각이 임계각보다 클 것, 이 두가지 조건을 갖춰야 하는 것입니다.