스넬의 법칙 (Snell's law)에 대해서
네덜란드의 천문학자 빌레브롤트 스넬(Willebrord Snell)에 의해 1621년에 발견되었습니다.
경계면이 광학적인 평면으로 2종류의 균질이며 등방적인 물질에 빛이 입사했을 때 경계면에서 굴절이 발생합니다.
굴절률이 각각 n0, n1인 두 물질 사이에서의 빛의 굴절은 다음 식으로 나타납니다.
n0 sinφ0 = n1 sinφ1
굴절형 렌즈는 이 원리를 이용하여 빛을 집광하고 있습니다.
굴절형 단렌즈에서는 매질 중 하나는 굴절률이 1.4~1.8 정도인 유리, 또 다른 매질은 굴절률 1.0인 공기입니다.
a) 입사각 φ0이 비교적 작은 상태에서 매질 n0에서 매질 n1로 입사된 빛은 n1의 매질 중에서는
스넬의 법칙을 만족하는 φ1의 각도로 굴절됩니다.
또 일부의 빛은 반사됩니다.
b) 그 다음에 경계면의 입사각을 점차 늘려가고, (b)그림과 같이 빛의 입사각도φ0이 있는 값φC에
가까워짐에 따라 굴절된 빛이 두 매질의 경계면에 접근하여 φC에 일치하면 경계면을 따라
빛이 전파됩니다.
이 때의 입사 각도 φ0=φC를 임계각(Critical angle)이라고 하며, 스넬의 법칙 그럼 sinφ1=1이 됩니다.
c) 또한 (c)그림과 같이 임계각 이상으로 기울어진 입사광선은 스넬의 법칙에서 sinφ1의 값이 하나 이상
가 되고φ1은 가공의 값입니다.
즉 φ0>φC의 경우에는 굴절이 없어져 반사만이일어나게 됩니다.
이 반사를 전사사(Total reflection)라고 부릅니다.
이 전반사 현상을 기하학적으로 생각해 보면, 전반사된 빛의 에너지는 입사했을 때의 에너지량과 엄밀하게 같을 것이며 임계각 이상의 각도로 입사된 광속으로 저굴절률 물질에 대한 에너지의 회피는 전혀 없다고 할 수 있습니다.
이 원리를 이용한 것이 광섬유입니다.
