전반사의 활용 : 광섬유 통신부터 다이아몬드 커팅까지. feat. 전반사 책갈피로 체험해보기

전반사(Total Internal Reflection)는 빛이 밀도가 높은 매질에서 밀도가 낮은 매질로 진행할 때, 특정 각도 이상으로 입사하면 빛이 경계면에서 굴절되지 않고 완전히 반사되는 현상입니다.

전반사에서는 빛이 다시 원래 매질로 반사되므로, 투과가 일어나지 않게 됩니다.

 

전반사의 예시

광섬유 통신
광섬유는 전반사를 이용해 빛을 효율적으로 전송하는 장치입니다. 광섬유 내부에서 빛이 전반사되면서 굴곡진 경로도 따라 이동할 수 있기 때문에, 데이터를 손실 없이 먼 거리까지 전송할 수 있습니다.

광섬유 통신에서는 데이터를 전기 신호로 변환한 후, 이 신호를 레이저나 LED 광원으로 변환하여 빛으로 만들어 광섬유에 입사시킵니다. 이 빛에는 음성, 영상, 데이터와 같은 정보가 포함됩니다.

빛은 코어와 클래딩 사이의 경계면에서 전반사하면서 광섬유를 통해 빠르게 이동합니다. 이 과정에서 빛은 외부로 새어 나가지 않고 경로를 따라 이동하며, 굴곡진 경로에서도 전반사로 인해 빛이 계속 반사되면서 진행할 수 있습니다. 수신 측에서는 광섬유를 통해 전송된 빛을 받아들이며, 이를 다시 전기 신호로 변환하여 데이터를 복구합니다.

 

다이아몬드나 보석의 반짝임
다이아몬드 커팅에서 전반사는 다이아몬드의 광학적 매력을 극대화하는 데 중요한 역할을 합니다.

다이아몬드는 다른 보석에 비해 굴절률이 높은 물질로, 공기 중의 굴절률(1.0)보다 훨씬 높은 2.42의 굴절률을 가집니다. 이로 인해 다이아몬드 내부에서 빛이 전반사를 일으키는 임계각이 매우 작습니다. 따라서 빛이 다이아몬드 내부로 들어오면 다양한 각도로 여러 번 반사되고, 대부분의 빛이 다이아몬드의 윗면으로 반사되어 나오게 됩니다.

 

이미지출처 : 픽사베이

 

 

전반사가 잘 일어날 수 있는 조건

빛의 입사각이 임계각 이상일 것

전반사가 일어나기 위해서는 빛이 경계면에서 특정 각도(임계각) 이상으로 입사해야 합니다. 임계각보다 작은 각도로 빛이 입사하면 빛이 일부는 반사되지만, 대부분은 굴절되어 다른 매질로 전달됩니다.

 

이미지출처 : Omnia Diamonds

 

고굴절률 매질에서 저굴절률 매질로 진행할 것
전반사는 밀도가 높은 매질(예: 물, 유리)에서 밀도가 낮은 매질(예: 공기)로 빛이 진행할 때만 발생합니다. 즉, 빛이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 진행할 때 전반사가 가능합니다.

 

물에서 공기로의 진행 (이미지출처 : https://www.miniphysics.com/ )

 

매질의 굴절률 차이가 클수록 유리함

굴절률 차이가 클수록 임계각이 작아져 전반사가 더 쉽게 일어납니다.

 

 

 

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[추가 링크]

전반사를 이해하기 쉽게 체험해볼 수 있는 동영상이 있어서 링크 첨부합니다. 

"전반사 책갈피"로 검색하면, 체험용 키트도 판매하고 있는데 집에 있는 재료로도 충분히 해볼 수 있어 보입니다. 

https://youtu.be/JwNdkOU9tmU?si=FMm7AN2v8k8YOsLk