개념완성

반사와 굴절 (Reflection and Refraction)

1. 서론

빛이 두 매질의 경계면에 도달하면 반사(reflection)와 굴절(refraction)이라는 두 가지 근본적 현상이 발생한다. 기하광학에서 이 두 현상은 광선(ray)의 개념으로 기술되며, 이는 파동광학의 극한적 근사(λ0\lambda \to 0)에 해당한다.

전자기파로서의 빛이 경계면에서 만족해야 하는 경계 조건(boundary condition)으로부터 반사 법칙과 굴절 법칙이 자연스럽게 도출된다.

2. 반사 법칙

정의1.1반사 법칙

경계면의 법선(normal)에 대하여 입사각 θi\theta_i와 반사각 θr\theta_r은 다음 관계를 만족한다:

θi=θr\theta_i = \theta_r

또한, 입사 광선, 반사 광선, 법선은 모두 같은 평면(입사면, plane of incidence) 위에 놓인다.

반사 법칙은 전자기학적으로 경계면에서의 접선 방향 파수 벡터 보존으로부터 유도할 수 있다. 입사파의 파수 벡터를 ki\mathbf{k}_i, 반사파의 파수 벡터를 kr\mathbf{k}_r이라 하면:

ki,=kr,k_{i,\parallel} = k_{r,\parallel}

두 파동이 동일한 매질에 존재하므로 ki=kr|\mathbf{k}_i| = |\mathbf{k}_r|이며, 따라서 θi=θr\theta_i = \theta_r이 성립한다.

3. 굴절 법칙

정의1.2굴절 현상

빛이 굴절률 n1n_1인 매질에서 굴절률 n2n_2인 매질로 진행할 때, 경계면에서 진행 방향이 변하는 현상을 굴절(refraction)이라 한다. 입사각 θ1\theta_1과 굴절각 θ2\theta_2 사이의 관계는 스넬 법칙으로 기술된다:

n1sinθ1=n2sinθ2n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2

굴절률(refractive index) nn은 진공에서의 빛의 속력 cc와 매질에서의 위상 속력(phase velocity) vv의 비로 정의된다:

n=cv=ϵrμrn = \frac{c}{v} = \sqrt{\epsilon_r \mu_r}

여기서 ϵr\epsilon_r은 비유전율, μr\mu_r은 비투자율이다. 비자성체(μr1\mu_r \approx 1)에서는 nϵrn \approx \sqrt{\epsilon_r}이 된다.

4. 전반사

정의1.3전반사와 임계각

빛이 광학적으로 밀한 매질(n1>n2n_1 > n_2)에서 소한 매질로 진행할 때, 입사각이 임계각(critical angle) θc\theta_c 이상이면 굴절파가 존재하지 않고 모든 빛이 반사된다. 이를 전반사(total internal reflection)라 한다.

θc=arcsin ⁣(n2n1)\theta_c = \arcsin\!\left(\frac{n_2}{n_1}\right)

전반사 조건에서 굴절파는 소멸파(evanescent wave)로 전환된다. 경계면 너머의 전기장은 다음과 같이 지수적으로 감쇠한다:

Eeκzei(kxxωt)\mathbf{E} \propto e^{-\kappa z} e^{i(k_x x - \omega t)}

여기서 침투 깊이(penetration depth) δ\delta는:

δ=1κ=λ2πn12sin2θin22\delta = \frac{1}{\kappa} = \frac{\lambda}{2\pi \sqrt{n_1^2 \sin^2\theta_i - n_2^2}}
참고소멸파의 물리적 의미

소멸파는 경계면에 평행한 방향으로는 전파하지만, 수직 방향으로는 에너지를 수송하지 않는다. 그러나 경계면 근처(δ\sim \delta)에 또 다른 매질을 놓으면 좌절 전반사(frustrated total internal reflection)가 발생하여 빛이 터널링할 수 있다. 이는 양자역학의 터널 효과와 수학적으로 동일한 구조를 가진다.

5. 프레넬 방정식

경계면에서의 반사율과 투과율은 편광 상태에 따라 다르며, 프레넬 방정식(Fresnel equations)으로 기술된다.

s-편광(TE, 전기장이 입사면에 수직):

rs=n1cosθin2cosθtn1cosθi+n2cosθtr_s = \frac{n_1 \cos\theta_i - n_2 \cos\theta_t}{n_1 \cos\theta_i + n_2 \cos\theta_t} ts=2n1cosθin1cosθi+n2cosθtt_s = \frac{2 n_1 \cos\theta_i}{n_1 \cos\theta_i + n_2 \cos\theta_t}

p-편광(TM, 전기장이 입사면에 평행):

rp=n2cosθin1cosθtn2cosθi+n1cosθtr_p = \frac{n_2 \cos\theta_i - n_1 \cos\theta_t}{n_2 \cos\theta_i + n_1 \cos\theta_t} tp=2n1cosθin2cosθi+n1cosθtt_p = \frac{2 n_1 \cos\theta_i}{n_2 \cos\theta_i + n_1 \cos\theta_t}

반사도(reflectance)와 투과도(transmittance)는 각각:

Rs,p=rs,p2,Ts,p=n2cosθtn1cosθits,p2R_{s,p} = |r_{s,p}|^2, \qquad T_{s,p} = \frac{n_2 \cos\theta_t}{n_1 \cos\theta_i} |t_{s,p}|^2

에너지 보존에 의해 R+T=1R + T = 1이 항상 성립한다.

예제수직 입사 시 반사도

수직 입사(θi=0\theta_i = 0)에서 s-편광과 p-편광의 구분은 사라지며, 반사도는:

R=(n1n2n1+n2)2R = \left(\frac{n_1 - n_2}{n_1 + n_2}\right)^2

예를 들어 공기(n1=1.00n_1 = 1.00)에서 유리(n2=1.50n_2 = 1.50)로의 수직 입사에서:

R=(1.001.501.00+1.50)2=(0.502.50)2=0.04R = \left(\frac{1.00 - 1.50}{1.00 + 1.50}\right)^2 = \left(\frac{-0.50}{2.50}\right)^2 = 0.04

즉, 약 4%의 빛이 반사된다. 이것이 유리창에서 자신의 모습이 희미하게 보이는 이유이다.

6. 분산과 굴절률의 파장 의존성

실제 매질에서 굴절률은 파장에 따라 변한다. 이를 분산(dispersion)이라 한다. 코시(Cauchy) 방정식에 의한 근사적 표현은:

n(λ)=A+Bλ2+Cλ4+n(\lambda) = A + \frac{B}{\lambda^2} + \frac{C}{\lambda^4} + \cdots

보다 물리적인 모델은 로렌츠 진동자 모델(Lorentz oscillator model)에서 얻어진다:

n2(ω)=1+jNje2/(meϵ0)ω0j2ω2iγjωn^2(\omega) = 1 + \sum_j \frac{N_j e^2 / (m_e \epsilon_0)}{\omega_{0j}^2 - \omega^2 - i\gamma_j \omega}

여기서 ω0j\omega_{0j}jj번째 공명 진동수, γj\gamma_j는 감쇠 계수, NjN_j는 단위 부피당 진동자 수이다.

참고정상 분산과 비정상 분산

공명 진동수에서 멀리 떨어진 영역에서는 dn/dλ<0dn/d\lambda < 0정상 분산(normal dispersion)이 나타나며, 공명 진동수 근처에서는 dn/dλ>0dn/d\lambda > 0비정상 분산(anomalous dispersion)이 관찰된다. 비정상 분산 영역에서는 군속도(group velocity)가 위상 속도를 초과할 수 있으나, 이는 정보 전달 속도와 무관하다.