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복굴절

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목차

1. 개요

복굴절은 빛이 이방성 물질을 통과할 때 두 개의 서로 다른 굴절률을 경험하여 빛이 두 개의 편광된 광선으로 분리되는 현상이다. 이러한 현상은 결정, 응력을 받는 고체, 특정 구조를 가진 물질 등에서 발생하며, 액정 디스플레이, 광 변조기, 파장판 등 다양한 광학 장치에 활용된다. 복굴절은 광학 현미경, 의학 진단, 지진학, 광물학 등 다양한 분야에서 응용되며, 물질의 특성을 분석하고 평가하는 데 중요한 역할을 한다.

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복굴절
굴절 특성
복굴절물질이 빛을 통과할 때 빛의 편광에 따라 서로 다른 굴절률을 가지는 현상
이방성복굴절은 일반적으로 이방성 물질에서 발생
양의 복굴절광학 축에 평행한 편광된 빛의 굴절률이 광학 축에 수직인 편광된 빛의 굴절률보다 더 큰 경우
음의 복굴절광학 축에 수직인 편광된 빛의 굴절률이 광학 축에 평행한 편광된 빛의 굴절률보다 더 큰 경우
설명
편광편광된 빛은 특정 방향으로 진동하는 전자기파
굴절률굴절률은 물질에서 빛이 얼마나 느리게 이동하는지를 나타내는 값
광학 축광학 축은 특정 결정에서 빛이 복굴절을 나타내지 않는 방향
결정일부 결정은 복굴절을 나타냄
응력응력 상태에 있는 물질은 복굴절을 나타낼 수 있음
액체특정 액체에서도 복굴절을 나타낼 수 있음
응용
광학복굴절은 편광 현미경과 같은 광학 기기에 사용
광학 소자복굴절은 편광 필터 및 위상 지연기와 같은 광학 소자에 사용
스트레스 분석복굴절은 스트레스 분석에서 물질 내부의 스트레스를 시각화하는 데 사용
기타액체 결정 디스플레이, 편광 현미경, 광섬유 통신, 의료 진단, 생물학 연구

2. 복굴절의 원리

방해석 결정을 통해 본 이중 굴절된 이미지는 회전 편광 필터를 통해 보았을 때 두 이미지의 반대 편광 상태를 보여줍니다.


이중 굴절 매질에서의 파동 전파에 대한 수학적 설명은 아래에 제시되어 있다. 다음은 이 현상에 대한 정성적 설명이다.

이방성 물질의 표면에 임의의 광선이 수직이 아닌 각도로 입사하면, 광축에 수직인 편광 성분(보통 광선)과 다른 선형 편광(비상 광선)이 약간 다른 경로로 굴절된다. 소위 무편광이라고 불리는 자연광은 어떤 두 직교 편광에도 에너지가 동일하게 포함되어 있다. 선형 편광광조차도 이방성의 두 축 중 하나에 정렬되지 않는 한 두 편광 모두에 어느 정도의 에너지를 가지고 있다. 스넬의 법칙에 따르면, 두 굴절각은 이 두 편광 각각의 유효 굴절률에 의해 결정된다. 이는 예를 들어, 방해석과 같은 이방성 물질로 구성된 프리즘을 사용하여 입사광을 두 개의 선형 편광으로 분리하는 볼라스톤 프리즘에서 명확하게 볼 수 있다.

두 편광 성분의 서로 다른 굴절각은 이 페이지 상단의 그림에 나와 있다. 광축이 표면을 따라 (그리고 입사면에 수직) 있으므로, 굴절각은 p 편광(이 경우 "보통 광선"으로, 전기 벡터가 광축에 수직임)과 s 편광(이 경우 "비상 광선"으로, 전기장 편광이 광축 방향의 성분을 포함함)에 대해 다릅니다. 또한, 광축이 굴절면을 따라 있지 않거나(또는 정확히 수직이 아닌 경우) 수직 입사에서도 뚜렷한 형태의 복굴절이 발생합니다. 이 경우 이방성 물질의 유전 분극이 비상 광선의 파동 전기장 방향과 정확히 일치하지 않습니다. 이 불균질파의 전력 흐름 방향(포인팅 벡터에 의해 주어짐)은 파동 벡터 방향과 유한한 각도를 이루어 이러한 광선 사이에 추가적인 분리가 발생합니다. 따라서 스넬의 법칙에 따라 굴절률에 관계없이 굴절각을 0으로 계산하는 수직 입사의 경우에도 비상 광선의 에너지는 각도로 전파됩니다. 입사면과 평행한 면을 통해 결정을 빠져나가면 두 광선의 방향은 복원되지만 두 광선 사이에 ''이동''이 남습니다. 이는 위 사진과 같이 자연적인 쪼개짐을 따라 잘라낸 방해석 조각을 글씨가 쓰인 종이 위에 올려놓으면 일반적으로 관찰할 수 있습니다. 반대로, 파장판은 특히 광축이 판의 표면을 따라 있도록 설계되어 있어, (거의) 수직 입사 시 어떤 편광의 빛에서도 상이 이동하지 않고 두 광파 사이에 상대적인 위상차만 발생합니다.

정(+) 및 부(-) 복굴절 비교: 정(+) 복굴절(그림 1)에서는 광축 A에 수직인 보통광선(이 경우 마젠타색 입사면에 대한 p-편광)이 속도가 빠른 광선(F)이고, 광축 A와 평행한 비상광선(이 경우 s-편광)이 속도가 느린 광선(S)이다. 부(-) 복굴절(그림 2)에서는 그 반대이다.


빛이 횡전자기파임을 이해하기 이전에 편광과 관련된 많은 연구가 이루어졌고, 이는 현재 사용되는 용어에 영향을 미쳤다. 등방성 물질은 모든 방향에서 대칭성을 가지며, 어떤 편광 방향에 대해서도 굴절률이 같다. 이방성 물질은 일반적으로 단일 입사광선을 두 방향으로 굴절시키기 때문에 "복굴절성"이라고 한다. 이는 이제 우리가 두 가지 다른 편광에 해당한다는 것을 알고 있다. 이것은 단축성 또는 이축성 물질 모두에 해당한다.

복굴절 물질에서 파동은 일반적으로 서로 다른 유효 굴절률에 의해 지배되는 두 가지 편광 성분으로 구성된다. 소위 "느린 광선(slow ray)"은 물질의 유효 굴절률이 더 높은(위상 속도가 더 느린) 성분이고, "빠른 광선(fast ray)"은 유효 굴절률이 더 낮은 성분이다. 빔이 공기(또는 굴절률이 더 낮은 다른 물질)에서 이러한 물질에 입사할 때, 느린 광선은 빠른 광선보다 법선 쪽으로 더 많이 굴절된다. 이 페이지 상단의 예시 그림에서 볼 수 있듯이, ''s'' 편광(전기 진동이 광축 방향을 따라 있으므로 특별 광선이라고 함)[7]을 가진 굴절 광선은 주어진 상황에서 느린 광선이다.

이러한 물질의 얇은 판을 수직 입사로 사용하면 파장판을 구현할 수 있다. 이 경우 편광 간에는 공간적 분리가 거의 없으며, 평행 편광(느린 광선)의 파동 위상은 수직 편광에 대해 지연된다. 따라서 이러한 방향을 파장판의 느린 축과 빠른 축이라고 한다.

2. 1. 단축성 물질

가장 단순한 형태의 복굴절은 단축성(uniaxial)으로, 이는 광학적 이방성을 지배하는 단일 방향, 즉 광축이 존재함을 의미한다. 이 축을 중심으로 재료를 회전시켜도 광학적 거동은 변하지 않는다. 광축에 평행하게 진행하는 빛은 그 편광에 관계없이 굴절률 ''n''o ("ordinary"를 위해)에 의해 지배된다. 다른 방향으로 진행하는 광선은 광축에 수직인 선형 편광을 갖는 "보통 광선"(ordinary ray)과 그렇지 않은 "비상 광선"(extraordinary ray)으로 나뉜다. 보통 광선은 항상 ''n''o의 굴절률을 가지는 반면, 비상 광선의 굴절률은 광선 방향에 따라 ''n''o와 ''n''e 사이에 있다.[5]

비상 광선은 등방성 광학 재료의 파동과 다르게 전파되며, 표면에서의 굴절 및 반사는 유효 굴절률(''n''o와 ''n''e 사이의 값)을 사용하여 이해할 수 있다. 전력 흐름(포인팅 벡터)은 파동 벡터의 방향과 정확히 일치하지 않아 광선에 추가적인 이동을 발생시킨다. 방해석 결정을 회전시키면 비상 광선의 영상이 보통 광선의 영상 주위를 약간 회전하는 것을 볼 수 있다.

빛이 광축을 따라 또는 광축에 수직으로 전파될 때는 이러한 측면 이동이 발생하지 않는다. 광축에 수직으로 전파되는 경우, 비상 광선은 다른 위상 속도(''n''e에 해당)로 전파되지만 여전히 파동 벡터 방향으로 전력 흐름을 갖는다. 광학 표면에 평행하게 이 방향으로 광축을 갖는 결정은 웨이브플레이트를 만드는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 사분파장판은 선형 편광 소스에서 원편광을 생성하는 데 일반적으로 사용된다.

단축성 복굴절은 특별 굴절률(ne)이 상당 굴절률(no)보다 클 때 양(+)으로 분류된다. 음(-) 복굴절은 Δn = ne − no가 0보다 작다는 것을 의미한다.[8] 즉, 결정의 복굴절이 양(+)일 때(음(-)일 때 각각) 빠른(느린) 파의 편광은 광축에 수직이다. 이축성 결정의 경우, 세 가지 주축 모두 굴절률이 다르므로 이 명칭은 적용되지 않는다.

2. 2. 이축성 물질

이축 결정은 세 가지 주축에 대응하는 세 가지 굴절률로 특징지어진다.[6] 대부분의 광선 방향에서 두 편광은 모두 특이 광선으로 분류되지만, 서로 다른 유효 굴절률을 갖는다. 특이파이기 때문에 에너지 흐름 방향이 파동 벡터의 방향과 동일하지 않다.

주어진 편광 방향에 대한 두 굴절률은 굴절률 타원체를 사용하여 결정할 수 있다. 이축 결정의 경우 굴절률 타원체는 회전 타원체가 아니며, 세 가지 서로 다른 주 굴절률 ''n''α, ''n''β 및 ''n''γ로 설명된다. 따라서 광학적 성질이 불변인 회전이 가능한 축은 없다.

대칭축은 없지만, 빛이 복굴절 없이 전파될 수 있는 방향, 즉 파장이 편광에 무관한 방향으로 정의되는 두 개의 광축 또는 이법선이 있다.[6] 이러한 이유로, 세 가지 뚜렷한 굴절률을 갖는 복굴절 재료를 이축 결정이라고 부른다. 또한, 빛의 군 속도가 편광에 무관한 두 개의 구별되는 축인 광선 축 또는 이방향이 있다.

2. 3. 복굴절의 발생

편광판을 통과한 부분적으로 편광된 하늘빛의 응력 복굴절로 인해 색 줄무늬가 생긴 런던 스카이 풀 아래에서 본 모습


복굴절은 이방성 결정에 빛이 입사할 때 발생하지만, 광학적으로 등방성인 물질에서도 다음과 같은 방법으로 발생할 수 있다.

  • '''응력 유도 복굴절''': 등방성인 고체에 응력이 가해져 변형되면 발생한다. 물리적 등방성이 상실되어 물질의 유전율 텐서의 등방성이 상실된다.
  • '''형태 복굴절'''(구조 복굴절): 굴절률이 다른 두 물질이 파장보다 작은 주기로 배열될 때 발생한다. 예를 들어, 원기둥이 파장보다 작은 간격으로 배열되면, 원기둥 방향과 수직 방향의 굴절률이 달라진다. 메타물질의 일종이다.
  • '''커 효과''': 외부 전기장에 의해 유도되는 복굴절로, 비선형 광학 현상이다. 전기장의 제곱에 비례하는 복굴절이 발생한다.
  • '''양친매성 분자의 정렬''': 지질, 계면활성제, 액정 등의 분자가 박막으로 자발적 또는 강제적으로 정렬될 때 발생한다.
  • '''원형 복굴절''': 카이랄성을 갖는 물질에서 발생한다. 거울상이성질체 과잉이 있는 액체, 즉 입체이성질체를 갖는 분자가 포함될 수 있다.
  • '''파라데이 효과''': 세로 자기장이 일부 물질을 원형 복굴절이 되도록 한다. 좌원형 편광과 우원형 편광에 대해 다른 굴절률을 가지며, 자기장이 인가되는 동안 광학 활성과 유사하다. 자기장을 제거하면 광학 활성은 즉시 사라진다.

3. 복굴절의 종류

복굴절은 일반적으로 이방성 결정에서 기인하지만, 광학적으로 등방성인 재료에서도 다음과 같은 방법으로 복굴절을 발생시킬 수 있다.


  • 광탄성 : 등방성 재료에 응력이 가해지거나 변형(인장 또는 굽힘)될 때, 계의 등방성이 붕괴되어 발생한다.
  • 선광 : 광학 활성 분자의 용액 등에서 광학 순도(거울상이성질체 과잉률)에 편향이 있을 경우 발생한다.
  • 구조 복굴절 : 파장보다 작은 주기의 구조에 기인하여 발생한다. 예를 들어, 원기둥이 파장보다 충분히 작은 간격으로 배열되어 있는 경우 원기둥 방향의 굴절률과 원기둥에 수직인 방향의 굴절률이 달라진다. 또한, 파장보다 좁은 간격의 홈이 주기적으로 나란히 있는 구조(라인 앤드 스페이스 구조)가 있는 경우, 홈과 평행한 방향과 수직인 방향에서 굴절률이 달라진다. 메타물질의 일종이다.
  • 커 효과 : 외부에서 강한 전기장이 인가된 경우, 등방성 재료에 전기장의 제곱에 비례하는 복굴절이 발생한다. 인가 전기장이 광전기에 기인하는 경우 특히 광커 효과라고 불리며, 비선형 광학 효과의 일종으로 취급된다.
  • 파라데이 효과 : 등방적인 재료에 자기장을 인가함으로써 선광성이 발생한다. 자기장이 인가되어 있는 동안만 좌원편광에서의 굴절률과 우원편광에서의 굴절률이 다르기 때문에 광학적으로 활성화된다. 이 광학 활성은 인가 자기장을 제거하면 즉시 사라진다.
  • 자발적 또는 강제적인 배향 : 양친매성 분자나 지질이나 계면활성제나 액정을 박막으로 만들었을 때 발생한다.


3. 1. 결정 복굴절

복굴절은 이방성 결정에 빛이 입사할 때 주로 발생하지만, 광학적으로 등방성인 물질에서도 여러 방법으로 발생할 수 있다.

  • 응력 복굴절: 등방성 고체에 응력이 가해져 변형되면 발생하며, 물질의 유전율 텐서의 등방성이 상실된다.
  • 형태 복굴절: 굴절률이 다른 두 물질이 특정 구조(예: 막대)를 이룰 때 발생한다. 격자 간격이 파장보다 매우 작으면 메타물질로 설명된다.
  • 포켈스 효과 또는 커 효과: 인가된 전기장이 비선형 광학으로 인해 복굴절을 유도한다.
  • 양친매성 분자(예: 지질, 일부 계면활성제, 액정)의 박막 자기 정렬 또는 강제 정렬.
  • 원형 복굴절: 카이랄성을 갖는 물질에서 발생하며, 거울상이성질체 과잉이 있는 액체나 입체이성질체를 갖는 분자가 포함될 수 있다.
  • 파라데이 효과: 세로 자기장이 일부 물질을 원형 복굴절이 되도록 한다.


3. 2. 응력 유도 복굴절



일반적으로 등방성 고체는 복굴절을 나타내지 않지만, 기계적 응력을 받으면 복굴절이 발생한다. 응력은 외부에서 가해지거나, 사출 성형을 사용하여 제조된 후 냉각된 복굴절 플라스틱 제품에 "고정"될 수 있다.[30] 이러한 샘플을 두 개의 직교 편광판 사이에 놓으면, 복굴절 물질을 통과한 후 광선의 편광이 회전하고 회전량이 파장에 따라 달라지기 때문에 색상 패턴을 관찰할 수 있다. 고체 내 응력 분포를 분석하는 데 사용되는 광탄성이라는 실험 방법은 동일한 원리를 기반으로 한다.

응력 복굴절은 일반적으로 등방성인 고체에 응력이 가해져 변형(즉, 늘어나거나 구부러짐)될 때 발생하며, 물리적 등방성이 상실되어 결과적으로 물질의 유전율 텐서의 등방성이 상실된다. 최근에는 유리판의 응력 유도 복굴절을 이용하여 광학적 와류와 완전 푸앵카레 빔(단면에 모든 가능한 편광 상태를 갖는 광학 빔)을 생성하는 연구가 진행되고 있다.[30]

3. 3. 형태 복굴절



형태 복굴절은 하나의 굴절률을 갖는 막대와 같은 구조 요소가 다른 굴절률을 갖는 매질에 현탁될 때 발생한다. 격자 간격이 파장보다 훨씬 작을 때 이러한 구조는 메타물질로 설명된다. 구조 복굴절은 파장보다 작은 주기의 구조에 기인하여 발생한다. 예를 들어, 원기둥이 파장보다 충분히 작은 간격으로 배열되어 있는 경우 원기둥 방향의 굴절률과 원기둥에 수직인 방향의 굴절률이 달라진다. 또한, 파장보다 좁은 간격의 홈이 주기적으로 나란히 있는 구조(라인 앤드 스페이스 구조)가 있는 경우, 홈과 평행한 방향과 수직인 방향에서 굴절률이 달라진다.

3. 4. 전기장 유도 복굴절 (커 효과)



커 효과는 외부에서 강한 전기장이 인가된 경우, 등방성 재료에 전기장의 제곱에 비례하는 복굴절이 발생하는 현상이다. 인가 전기장이 광전기에 기인하는 경우 특히 광커 효과라고 불리며, 비선형 광학 효과의 일종으로 취급된다.

3. 5. 자기장 유도 복굴절 (파라데이 효과)

파라데이 효과에 의해, 세로 자기장이 일부 물질을 원형 복굴절이 되도록 한다. 이는 자기장이 인가되는 동안 광학 활성과 유사하다. 자기장이 인가되어 있는 동안만 좌원편광에서의 굴절률과 우원편광에서의 굴절률이 다르기 때문에 광학적으로 활성화된다. 이 광학 활성은 인가 자기장을 제거하면 즉시 사라진다.

3. 6. 기타 복굴절

복굴절은 이방성 결정에서 주로 발생하지만, 광학적으로 등방성인 물질에서도 다음과 같은 방법으로 복굴절이 나타날 수 있다.

  • 응력 복굴절: 등방성 고체에 응력이 가해져 변형될 때 발생하며, 물질의 유전율 텐서의 등방성이 상실되어 나타난다.
  • 형태 복굴절: 서로 다른 굴절률을 가진 구조 요소(예: 막대)가 다른 굴절률을 가진 매질에 배열될 때 발생한다. 격자 간격이 파장보다 훨씬 작으면 메타물질로 설명된다.
  • 커 효과: 비선형 광학에서 전기장이 가해져 복굴절이 유도된다.
  • 양친매성 분자 (예: 지질, 계면활성제, 액정)의 박막으로의 자기 정렬 또는 강제 정렬.
  • 원형 복굴절: 카이랄성을 갖는 물질에서 발생하며, 거울상이성질체 과잉이 있는 액체, 즉 입체이성질체를 갖는 분자가 포함될 수 있다.
  • 파라데이 효과: 세로 자기장이 일부 물질을 원형 복굴절이 되도록 하여, 좌우 원형 편광의 굴절률 차이를 발생시킨다. 이는 자기장이 인가되는 동안 광학 활성과 유사하다.


이중굴절은 비등방성 탄성 재료에서 관찰되며, 두 편광은 유효 굴절률에 따라 분리되어 응력에 민감하게 반응한다.

지진학에서는 고체 지구를 통과하는 전단파의 이중굴절 연구가 널리 사용된다.

광물학에서 이중굴절은 암석, 광물, 보석을 식별하는 데 사용된다.

회전 편광자(또는 분석기)를 사용하여 관찰한 이중굴절 루틸

4. 복굴절 측정

복굴절 및 기타 편광 기반 광학 효과(예: 광회전 및 선형 또는 원형 이색성)는 재료를 통과하는 빛의 편광 변화를 측정하여 관찰할 수 있다. 이러한 측정을 편광측정법이라고 한다. 시료의 양쪽에 90° 각도로 배치된 두 개의 편광판을 포함하는 편광 현미경은 복굴절을 시각화하는 데 사용된다. 복굴절의 영향을 받지 않은 빛은 두 번째 편광판("검광판")에 의해 완전히 제거되는 편광 상태를 유지하기 때문이다. 1/4파장판을 추가하면 원편광을 사용하여 검사할 수 있다. 이러한 장치를 사용하여 편광 상태의 변화를 결정하는 것이 타원계측법의 기초이며, 이를 통해 반사를 통해 반사 표면의 광학적 특성을 측정할 수 있다.[14][15]

유체의 과도한 흐름 거동을 조사하기 위해 위상 변조 시스템으로 복굴절 측정이 이루어졌다. 인지질 이중층의 복굴절은 이중 편광 간섭법을 사용하여 측정할 수 있는데, 이는 이러한 유체 층 내의 질서의 정도와 층이 다른 생체 분자와 상호 작용할 때 이 질서가 어떻게 방해되는지를 측정하는 방법이다.

3차원 복굴절 측정의 경우, 홀로그래픽 단층촬영을 기반으로 한 기술[https://doi.org/10.1038/s41563-022-01202-8]을 사용할 수 있다.

5. 복굴절의 응용

복굴절은 여러 광학 장치에 사용된다. 액정 디스플레이는 화면 표면의 시트 편광판을 통해 보이는 선형 편광광의 편광 회전을 통해 픽셀을 더 밝게 또는 더 어둡게 만든다.[16] 광 변조기는 편광된 빛의 전기 유도 복굴절과 편광판을 이용하여 빛의 세기를 조절한다.[16] 리오 필터는 복굴절의 파장 의존성을 이용하는 특수한 협대역 스펙트럼 필터이다.[16] 파장판은 특정 광학 장비에서 통과하는 빛의 편광 상태를 수정하는 데 널리 사용되는 얇은 복굴절 시트이다.[16]

높은 투과율을 가진 편광판을 제조하기 위해 글랜-톰슨 프리즘, 글랜-테일러 프리즘 및 기타 변형과 같은 장치에 복굴절 결정이 사용된다.[16] 다층 복굴절 고분자 시트를 사용할 수도 있다.[17]

복굴절은 제2차 고조파 발생 및 기타 비선형 광학적 과정에서 중요한 역할을 한다.[16] 입사각을 조정하여 특별 광선의 유효 굴절률을 조정하여 위상 정합을 달성할 수 있다.[16]

복굴절은 의학 진단에 이용된다. 광학 현미경에는 교차된 편광 필터 한 쌍이 부착되어 있다. 광원에서 나오는 빛은 첫 번째 편광판을 통과한 후 한 방향으로 편광되지만, 시료 위에는 다른 방향으로 배향된 편광판(분석기)이 있다. 따라서 광원의 빛은 분석기에 의해 수용되지 않아 시야는 어둡게 나타난다. 하지만 복굴절을 갖는 시료 영역은 편광된 빛의 일부를 다른 방향으로 결합하여 어두운 배경에서 밝게 나타난다. 이 원리를 수정하여 양성 및 음성 복굴절을 구분할 수 있다.[18]

예를 들어, 통풍성 관절에서 체액을 흡인하면 음성 복굴절 요산일나트륨 결정이 나타난다. 반면 피로인산칼슘 결정은 약한 양성 복굴절을 보인다.[19] 요산 결정은 노란색, 피로인산칼슘 결정은 길이 방향이 적색 보정 필터와 평행하게 정렬될 때 파란색으로 나타난다.[20]

살아있는 사람의 허벅지 내부 조직 복굴절은 1310nm에서 편광 감응 광학 단층 촬영과 바늘 속 단일 모드 섬유를 사용하여 측정되었다. 골격근 복굴절은 Δn = 1.79 × 10−3 ± 0.18×10−3, 지방 Δn = 0.07 × 10−3 ± 0.50 × 10−3, 표층 활막 Δn = 5.08 × 10−3 ± 0.73 × 10−3, 간질 조직 Δn = 0.65 × 10−3 ±0.39 × 10−3였다.[21] 이러한 측정은 뒤센 근이영양증 진단을 위한 덜 침습적인 방법을 개발하는 데 중요할 수 있다.

알츠하이머병 환자의 뇌에서 발견되는 아밀로이드 플라크는 콘고 레드와 같은 염색약으로 염색하면 복굴절을 관찰할 수 있다. 변형된 단백질이 세포 사이에 비정상적으로 축적되어 원섬유를 형성하고, 여러 겹이 정렬되어 베타-병풍 시트 구조를 취한다. 콘고 레드 염료는 주름 사이에 보간 작용을 하여 편광된 빛 아래에서 복굴절을 일으킨다.

안과학에서 ''헨레 섬유''(황반에서 방사상으로 바깥쪽으로 향하는 광수용체 축삭)의 양안 망막 복굴절 선별 검사는 사시 및 굴절 이상성 약시의 신뢰할 수 있는 검출을 제공한다.[22] 건강한 피험자의 경우, 헨레 섬유층에 의해 유도되는 최대 지연은 840nm에서 약 22도이다.[23] 스캐닝 레이저 편광계는 시신경 섬유층의 복굴절을 사용하여 간접적으로 두께를 정량화하며, 이는 녹내장 평가 및 모니터링에 유용하다. 건강한 사람에게서 얻은 편광 감응 광학 단층 촬영 측정은 시신경 유두 주변 위치의 함수로서 망막 신경 섬유층의 복굴절 변화를 보여주었다.[24] 최근에는 시신경 근처 혈관벽의 편광 특성을 정량화하는 기술이 개발되었다.[25] 고혈압 환자의 경우 망막 혈관벽이 두꺼워지고 복굴절이 감소하지만,[26] 당뇨병 환자의 혈관벽은 두께 변화가 없지만 복굴절이 증가한다.[27]

세포질내 정자 주입을 위한 정자는 정자 머리의 복굴절 특징을 통해 선택할 수 있다.[28] 난자의 복굴절을 사용하여 성공적인 임신 가능성이 가장 높은 난자를 선택하는 ''난자 영상'' 기술도 있다.[29] 폐 결절에서 생검된 입자의 복굴절은 규폐증을 나타낸다.

피부과 의사는 피부경을 사용하여 피부 병변을 관찰한다. 피부경은 편광된 빛을 사용하므로 피부의 진피 콜라겐에 해당하는 결정 구조를 볼 수 있다. 이러한 구조는 반짝이는 흰색 선이나 로제트 모양으로 나타날 수 있으며, 편광 피부경 검사 하에서만 볼 수 있다.

이중굴절은 비등방성 탄성 재료에서 관찰된다. 이러한 재료에서는 두 가지 편광이 유효 굴절률에 따라 분리되며, 이는 응력에도 민감하다. 고체 지구를 통과하는 전단파의 이중굴절 연구는 지진학에서 널리 사용된다. 또한, 이중굴절은 광물학에서 암석, 광물, 보석을 식별하는 데 널리 사용된다.

5. 1. 광학 장치

복굴절은 여러 광학 장치에 사용된다. 액정 디스플레이는 화면 표면의 시트 편광판을 통해 보이는 선형 편광광의 편광 회전을 통해 픽셀을 더 밝게 또는 더 어둡게 만든다.[16] 광 변조기는 편광된 빛의 전기 유도 복굴절과 편광판을 이용하여 빛의 세기를 조절한다.[16] 리오 필터는 복굴절의 파장 의존성을 이용하는 특수한 협대역 스펙트럼 필터이다.[16] 파장판은 특정 광학 장비에서 통과하는 빛의 편광 상태를 수정하는 데 널리 사용되는 얇은 복굴절 시트이다.[16]

높은 투과율을 가진 편광판을 제조하기 위해 글랜-톰슨 프리즘, 글랜-테일러 프리즘 및 기타 변형과 같은 장치에 복굴절 결정이 사용된다.[16] 다층 복굴절 고분자 시트를 사용할 수도 있다.[17]

복굴절은 제2차 고조파 발생 및 기타 비선형 광학적 과정에서 중요한 역할을 한다.[16] 입사각을 조정하여 특별 광선의 유효 굴절률을 조정하여 위상 정합을 달성할 수 있다.[16]

5. 2. 의학 및 생물학

복굴절은 의학 진단에 이용된다. 광학 현미경에는 교차된 편광 필터 한 쌍이 부착되어 있다. 광원에서 나오는 빛은 첫 번째 편광판을 통과한 후 한 방향으로 편광되지만, 시료 위에는 다른 방향으로 배향된 편광판(분석기)이 있다. 따라서 광원의 빛은 분석기에 의해 수용되지 않아 시야는 어둡게 나타난다. 하지만 복굴절을 갖는 시료 영역은 편광된 빛의 일부를 다른 방향으로 결합하여 어두운 배경에서 밝게 나타난다. 이 원리를 수정하여 양성 및 음성 복굴절을 구분할 수 있다.[18]

예를 들어, 통풍성 관절에서 체액을 흡인하면 음성 복굴절 요산일나트륨 결정이 나타난다. 반면 피로인산칼슘 결정은 약한 양성 복굴절을 보인다.[19] 요산 결정은 노란색, 피로인산칼슘 결정은 길이 방향이 적색 보정 필터와 평행하게 정렬될 때 파란색으로 나타난다.[20]

살아있는 사람의 허벅지 내부 조직 복굴절은 1310nm에서 편광 감응 광학 단층 촬영과 바늘 속 단일 모드 섬유를 사용하여 측정되었다. 골격근 복굴절은 Δn = 1.79 × 10−3 ± 0.18×10−3, 지방 Δn = 0.07 × 10−3 ± 0.50 × 10−3, 표층 활막 Δn = 5.08 × 10−3 ± 0.73 × 10−3, 간질 조직 Δn = 0.65 × 10−3 ±0.39 × 10−3였다.[21] 이러한 측정은 뒤센 근이영양증 진단을 위한 덜 침습적인 방법을 개발하는 데 중요할 수 있다.

알츠하이머병 환자의 뇌에서 발견되는 아밀로이드 플라크는 콘고 레드와 같은 염색약으로 염색하면 복굴절을 관찰할 수 있다. 변형된 단백질이 세포 사이에 비정상적으로 축적되어 원섬유를 형성하고, 여러 겹이 정렬되어 베타-병풍 시트 구조를 취한다. 콘고 레드 염료는 주름 사이에 보간 작용을 하여 편광된 빛 아래에서 복굴절을 일으킨다.

안과학에서 ''헨레 섬유''(황반에서 방사상으로 바깥쪽으로 향하는 광수용체 축삭)의 양안 망막 복굴절 선별 검사는 사시 및 굴절 이상성 약시의 신뢰할 수 있는 검출을 제공한다.[22] 건강한 피험자의 경우, 헨레 섬유층에 의해 유도되는 최대 지연은 840nm에서 약 22도이다.[23] 스캐닝 레이저 편광계는 시신경 섬유층의 복굴절을 사용하여 간접적으로 두께를 정량화하며, 이는 녹내장 평가 및 모니터링에 유용하다. 건강한 사람에게서 얻은 편광 감응 광학 단층 촬영 측정은 시신경 유두 주변 위치의 함수로서 망막 신경 섬유층의 복굴절 변화를 보여주었다.[24] 최근에는 시신경 근처 혈관벽의 편광 특성을 정량화하는 기술이 개발되었다.[25] 고혈압 환자의 경우 망막 혈관벽이 두꺼워지고 복굴절이 감소하지만,[26] 당뇨병 환자의 혈관벽은 두께 변화가 없지만 복굴절이 증가한다.[27]

세포질내 정자 주입을 위한 정자는 정자 머리의 복굴절 특징을 통해 선택할 수 있다.[28] 난자의 복굴절을 사용하여 성공적인 임신 가능성이 가장 높은 난자를 선택하는 ''난자 영상'' 기술도 있다.[29] 폐 결절에서 생검된 입자의 복굴절은 규폐증을 나타낸다.

피부과 의사는 피부경을 사용하여 피부 병변을 관찰한다. 피부경은 편광된 빛을 사용하므로 피부의 진피 콜라겐에 해당하는 결정 구조를 볼 수 있다. 이러한 구조는 반짝이는 흰색 선이나 로제트 모양으로 나타날 수 있으며, 편광 피부경 검사 하에서만 볼 수 있다.

5. 3. 기타 응용

이중굴절은 비등방성 탄성 재료에서 관찰된다. 이러한 재료에서는 두 가지 편광이 유효 굴절률에 따라 분리되며, 이는 응력에도 민감하다. 고체 지구를 통과하는 전단파의 이중굴절 연구는 지진학에서 널리 사용된다. 또한, 이중굴절은 광물학에서 암석, 광물, 보석을 식별하는 데 널리 사용된다.

6. 주요 복굴절 물질

가장 잘 특징지어진 복굴절 재료는 결정이다. 특정 결정 구조 때문에 굴절률이 잘 정의되어 있다. 결정 구조의 대칭성(32가지 가능한 결정학적 점군 중 하나에 의해 결정됨)에 따라, 그 군에 속하는 결정은 등방성(복굴절 없음), 단축 대칭 또는 그도 아닌 경우 이축 결정이 되도록 강제될 수 있다.[12] 이축 복굴절을 허용하는 결정 구조는 아래 표에 나와 있으며, 일부 잘 알려진 결정의 세 가지 주요 굴절률(파장 590 nm에서)을 나열하고 있다.[12]

590 nm에서의 이축 결정[12]
재료결정계nαnβnγ
붕사 Na2(B4O5)(OH)4·8H2O단사정계1.4471.4691.472
에프솜염 MgSO4·7H2O단사정계1.4331.4551.461
운모, 흑운모 K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(F,OH)2단사정계1.5951.6401.640
운모, 백운모 KAl2(AlSi3O10)(F,OH)2단사정계1.5631.5961.601
감람석 (Mg,Fe)2SiO4사방정계1.6401.6601.680
페로브스카이트 CaTiO3사방정계2.3002.3402.380
토파즈 Al2SiO4(F,OH)2사방정계1.6181.6201.627
유렉사이트 NaCaB5O6(OH)6·5H2O삼사정계1.4901.5101.520


6. 1. 단축성 결정

가장 잘 특징지어진 복굴절 재료는 결정이다. 특정 결정 구조 때문에 굴절률이 잘 정의되어 있다. 결정 구조의 대칭성(32가지 가능한 결정학적 점군 중 하나에 의해 결정됨)에 따라, 그 군에 속하는 결정은 등방성(복굴절 없음), 단축 대칭 또는 그도 아닌 경우 이축 결정이 되도록 강제될 수 있다.[12] 단축 복굴절을 허용하는 결정 구조는 아래 표에 나와 있으며, 일부 잘 알려진 결정의 두 가지 주요 굴절률(파장 590 nm에서)을 나열하고 있다.[12]

590 nm에서의 단축 결정[12]
재료결정계
붕산바륨 BaB2O4삼방정계1.67761.5534−0.1242
베릴 Be3Al2(SiO3)6육방정계1.6021.557−0.045
방해석 CaCO3삼방정계1.6581.486−0.172
얼음 H2O육방정계1.30901.3104+0.0014[13]
니오브산리튬 LiNbO3삼방정계2.2722.187−0.085
플루오르화마그네슘 MgF2정방정계1.3801.385+0.006
석영 SiO2삼방정계1.5441.553+0.009
루비 Al2O3삼방정계1.7701.762−0.008
루틸 TiO2정방정계2.6162.903+0.287
사파이어 Al2O3삼방정계1.7681.760−0.008
탄화규소 SiC육방정계2.6472.693+0.046
전기석 (복합 규산염)삼방정계1.6691.638−0.031
지르콘, 고온 ZrSiO4정방정계1.9602.015+0.055
지르콘, 저온 ZrSiO4정방정계1.9201.967+0.047



직교 편광판 사이에 끼워진 투명한 폴리스티렌 식기는 파장에 따라 복굴절을 나타낸다


응력을 받는 동안 유도된 복굴절 외에도, 많은 플라스틱은 플라스틱이 성형 또는 압출될 때 존재하는 기계적 힘으로 인해 "고정된" 응력으로 인해 제조 중에 영구적인 복굴절을 얻는다.[9] 예를 들어, 일반적인 셀로판은 복굴절을 나타낸다. 편광판은 폴리스티렌 및 폴리카보네이트와 같은 플라스틱에서 가해진 응력 또는 고정된 응력을 감지하는 데 일반적으로 사용된다.

면 섬유는 섬유의 이차 세포벽에 있는 높은 수준의 셀룰로오스 물질이 면 섬유와 방향이 일치하기 때문에 복굴절을 나타낸다.

광섬유의 불가피한 제조 결함은 복굴절을 야기하며, 이는 광섬유 통신에서 펄스 확산의 원인 중 하나이다. 이러한 결함은 기하학적(원형 대칭 부족)이거나 광섬유에 가해지는 불균일한 측면 응력으로 인한 것일 수 있다. 편광 유지 광섬유를 생산하기 위해 단면을 타원형으로 만드는 등 의도적으로 복굴절을 도입한다.

6. 2. 이축성 결정

결정은 가장 잘 특징 지어진 복굴절 재료이다. 결정 구조의 대칭성(32가지 가능한 결정학적 점군 중 하나에 의해 결정됨)에 따라, 그 군에 속하는 결정은 등방성(복굴절 없음), 단축 대칭 또는 그도 아닌 경우 이축 결정이 되도록 강제될 수 있다.[12] 단축 및 이축 복굴절을 허용하는 결정 구조는 아래 두 표에 나와 있으며, 일부 잘 알려진 결정의 두 가지 또는 세 가지 주요 굴절률(파장 590 nm에서)을 나열하고 있다.[12]

590 nm에서의 이축 결정[12]
재료결정계
붕사 Na2(B4O5)(OH)4·8H2O단사정계1.4471.4691.472
에프솜염 MgSO4·7H2O단사정계1.4331.4551.461
운모, 흑운모 K(Mg,Fe)3(AlSi3O10)(F,OH)2단사정계1.5951.6401.640
운모, 백운모 KAl2(AlSi3O10)(F,OH)2단사정계1.5631.5961.601
감람석 (Mg,Fe)2SiO4사방정계1.6401.6601.680
페로브스카이트 CaTiO3사방정계2.3002.3402.380
토파즈 Al2SiO4(F,OH)2사방정계1.6181.6201.627
유렉사이트 NaCaB5O6(OH)6·5H2O삼사정계1.4901.5101.520


7. 관련 항목

wikitext



참조

[1] 웹사이트 Olympus Microscopy Resource Center https://olympus-life[...] Olympus Life Science Inc. 2021-07-21
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[2] 간행물 An account of sundry experiments made and communicated by that learn'd mathematician, Dr. Erasmus Bartholin, upon a chrystal-like body, sent to him out of Island https://books.google[...] 1671-01-16
[3] 간행물 Note sur le calcul des teintes que la polarisation développe dans les lames cristallisées et seq. https://zenodo.org/r[...] 1821-05-01
[4] 간행물 Extrait d'un Mémoire sur la double réfraction https://zenodo.org/r[...] 1825-03-01
[5] 서적 Optical Mineralogy: Theory and Technique Blackwell Scientific Publications
[6] 서적 Electrodynamics of Continuous Media Pergamon Press
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[10] 논문 Polarized light microscopy in the study of the molecular structure of collagen and reticulin
[11] 논문 Optical anistropy of bovine serum albumin
[12] 웹사이트 Refraction http://physics.info/[...]
[13] 서적 Ice physics Oxford University Press
[14] 논문 A note on phase-modulated flow birefringence: a promising rheo-optical method
[15] 논문 Relaxation of dilute polymer solutions following extensional flow
[16] 웹사이트 Birefringent Polarizers https://www.pmoptics[...] 2024-03-15
[17] 컨퍼런스 자료 Giant birefringent optics in multilayer polymer filters OSA
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[19] 논문 Acute gout and the accident and emergency department 1984-06-01
[20] 웹사이트 The Approach to the Painful Joint Workup http://emedicine.med[...] 2010-11-22
[21] 논문 In vivo PS-OCT needle probe scan of human skeletal muscle 2022
[22] 논문 High sensitivity of binocular retinal birefringence screening for anisometropic amblyopia without strabismus 2014-08-01
[23] 논문 Henle fiber layer phase retardation measured with polarization-sensitive optical coherence tomography https://www.osapubli[...] 2013-11-01
[24] 논문 Thickness and Birefringence of Healthy Retinal Nerve Fiber Layer Tissue Measured with Polarization-Sensitive Optical Coherence Tomography https://iovs.arvojou[...] 2004-08-01
[25] 논문 Polarization properties of retinal blood vessel walls measured with polarization sensitive optical coherence tomography https://www.osapubli[...] 2021-07-01
[26] 논문 Hypertension-associated changes in retinal blood vessel walls measured in vivo with polarization-sensitive optical coherence tomography 2024-01-01
[27] 논문 Non-Invasive Retinal Blood Vessel Wall Measurements with Polarization-Sensitive Optical Coherence Tomography for Diabetes Assessment: A Quantitative Study 2023-08-01
[28] 논문 Birefringence characteristics in sperm heads allow for the selection of reacted spermatozoa for intracytoplasmic sperm injection 2008-12-01
[29] 논문 Automatic user-independent zona pellucida imaging at the oocyte stage allows for the prediction of preimplantation development 2009-05-01
[30] 논문 Full Poincaré beams https://www.osapubli[...] 2010-05-10
[31] 문서 Although related, note that this is not the same as the index ellipsoid.
[32] 서적 Born & Wolf
[33] 서적 Conical diffraction: Hamilton's diabolical point at the heart of crystal optics Elsevier

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