광섬유

전반사

빛이 매질의 경계에서 굴절할 때 나타나는 신기한 현상 중의 하나는 굴절률이 큰데서 적은데로 진행하는 경우 전반사이다. 예를 들어 유리에서 공기로 빛이 진행하면 입사각보다는 더 큰 굴절각으로 굴절하지만 입사각이 약 41.8도 보다 커지면 스넬의 법칙을 만족하는 굴절각이 존재하지 않게 된다. 이 경우에는 모든 입사하는 빛이 경계면에서 반사의 법칙에 따라 반사를 하게 되는 데 이를 전반사라 한다.

전반사는 실제로 빛이 가지고 있는 전기장과 자기장이 매질의 경계에서 경계조건을 만족하기 위한 유일한 선택이지만 입사각이 0도(수직입사)로부터 서서히 증가할 때 특정한 값으로부터 갑자기 굴절광이 사라지고 입사한 빛 그대로 반사하는 현상이 생겨나므로 특이한 현상으로 경험하게 된다.

아래 프로그램은 위에 굴절률이 거의 1인 공기층이 있고, 아래에는 굴절률을 1.2 ~ 3.0의 범위에서 조절할 수 있는 다른 매질이 있다. 이때 조금씩 입사각이 커지면서 광선이 굴절하는 상황을 보여주고 있다.

_ 반사의 법칙_ 스넬의 법칙_ 경계조건_ 임계각_ 전기장_ 굴절률_ 자기장_ 광선

광섬유

빛이 굴절률이 큰 곳에서 적은 곳으로 나갈때 입사각이 임계각보다 크게 되면 빛은 전반사하여 밖으로 나가지 못한다.

굴절률이 큰 매질로 가느다란 섬유 형태를 만들고 그 속에 빛을 집어 넣으면 섬유 내부에서 전반사를 거듭하여 계속 그 속을 타고 진행하는 상황이 일어날 수 있다. 이렇게 속에 가둔 채로 빛을 의도하는 대로 보낼 수 있게 투명한 물질로 만든 섬유형태를 광섬유(optical fiber)라고 하고, 광섬유에서의 빛의 행동을 다루는 광학의 분야를 섬유광학이라 한다.

지금 우리가 학교에서나 가정에서 인터넷을 빠른 속도로 즐길 수 있게 된 것도 이 광섬유를 이용한 광통신 기술이 발전에 힘 입은 바가 크다.

일명 도파관이라고도 하는 광섬유는 주로 투명도가 좋은 유리로 만든다. 가운데에 굴절률이 가장 큰 코어(core)라고 하는 부분이 있고 이의 주변을 클래딩(cladding)이라고 하는 부분이 감싸고 있어 마치 양파 줄기 같은 구조를 하고 있다. 이의 제일 외부는 바깥으로부터의 충격으로부터 보호하기 위해 합성수지 피복을 몇차례 입힌다. 피복 안쪽은 지름 백~수백 μm(1 μm은 1/1000 mm)로 되어 있어, 이의 지름이 수 μm인 것을 단일모드 광섬유, 수십 μm인 것을 다중모드 광섬유라 하고, 코어의 굴절률 분포에 따라 계단형, 언덕형 광섬유 등으로 나누게 된다. 원래 이렇게 광섬유에서 빛이 전파될 수 있다는 가능성은 19세기에 J.틴들이라는 사람이 포물선을 그리며 쏘여진 물줄기 속에서 빛이 빠져나가지 않고 진행할 수 있는 것을 발견한 것을 관찰하고 이로부터 광섬유에 대한 이론을 발표한 것이 시초라고 할 수 있다. 이러한 현상을 이용하여 분수대 속에 조명을 하여 신비롭게 분수가 채색 된 것을 볼 수 있다.

초기에는 유리 속을 타고 가는 빛이 손실이 커서 광통신처럼 먼거리로 빛을 전송하는 것을 생각할 수 없었지만 이후 손실을 줄인 것이 개발되어서 이제는 1 dB/km의 손실 이하의 광섬유가 국내에서도 개발되어 사용되고 있다.

_ 임계각_ 굴절률