여기서 ϵr은 비유전율, μr은 비투자율이다. 비자성체(μr≈1)에서는 n≈ϵr이 된다.
4. 전반사
정의1.3전반사와 임계각
빛이 광학적으로 밀한 매질(n1>n2)에서 소한 매질로 진행할 때, 입사각이 임계각(critical angle) θc 이상이면 굴절파가 존재하지 않고 모든 빛이 반사된다. 이를 전반사(total internal reflection)라 한다.
θc=arcsin(n1n2)
전반사 조건에서 굴절파는 소멸파(evanescent wave)로 전환된다. 경계면 너머의 전기장은 다음과 같이 지수적으로 감쇠한다:
E∝e−κzei(kxx−ωt)
여기서 침투 깊이(penetration depth) δ는:
δ=κ1=2πn12sin2θi−n22λ
참고소멸파의 물리적 의미
소멸파는 경계면에 평행한 방향으로는 전파하지만, 수직 방향으로는 에너지를 수송하지 않는다. 그러나 경계면 근처(∼δ)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.
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+λ2B+λ4C+⋯
보다 물리적인 모델은 로렌츠 진동자 모델(Lorentz oscillator model)에서 얻어진다:
n2(ω)=1+j∑ω0j2−ω2−iγjωNje2/(meϵ0)
여기서 ω0j는 j번째 공명 진동수, γj는 감쇠 계수, Nj는 단위 부피당 진동자 수이다.
참고정상 분산과 비정상 분산
공명 진동수에서 멀리 떨어진 영역에서는 dn/dλ<0인 정상 분산(normal dispersion)이 나타나며, 공명 진동수 근처에서는 dn/dλ>0인 비정상 분산(anomalous dispersion)이 관찰된다. 비정상 분산 영역에서는 군속도(group velocity)가 위상 속도를 초과할 수 있으나, 이는 정보 전달 속도와 무관하다.