브루스터 각(Brewster's angle)은 광학에서 빛이 서로 다른 굴절률을 가진 두 매질의 경계면에 입사할 때, 특정한 편광 상태의 빛이 반사 없이 완전히 투과되는 입사각을 말한다. 이 개념은 스코틀랜드의 물리학자 데이비드 브루스터(David Brewster, 1781~1868)의 이름을 따서 명명되었으며, 편광각(polarization angle)이라고도 불린다.
정의와 원리
빛이 굴절률이 다른 두 매질 사이를 통과할 때, 그 경계면에서는 일반적으로 반사가 일어난다. 그러나 입사광의 전기장이 입사면(입사광과 경계면의 법선이 이루는 평면)에 평행한 방향으로 편광된 경우, 즉 p-편광 상태의 빛이 특정한 입사각으로 입사하면 경계면에서 반사되지 않는다. 이 특정 입사각이 바로 브루스터 각이다.
반대로 입사면에 수직한 방향으로 편광된 빛을 s-편광이라고 하며, 무편광 상태의 빛이 브루스터 각으로 입사하면 반사된 빛은 항상 s-편광 상태가 된다.
수학적 표현
브루스터 각(θB)은 다음의 브루스터 법칙(Brewster's law)에 의해 결정된다.
θB = arctan(n2 / n1)
여기서 n1은 빛이 진행해 오는 첫 번째 매질의 굴절률, n2는 두 번째 매질의 굴절률이다. 이 식은 스넬의 법칙과 반사광과 굴절광이 서로 수직을 이루는 조건(θ1 + θ2 = 90°)을 결합하여 유도된다.
예를 들어, 공기(n1 ≈ 1)와 유리(n2 ≈ 1.5)의 경계면에서 가시광선의 브루스터 각은 약 56°이며, 공기와 물(n2 ≈ 1.33)의 경계면에서는 약 53°이다. 굴절률은 빛의 파장에 따라 달라지므로, 브루스터 각 역시 파장에 따라 변한다.
역사적 배경
반사에 의한 빛의 편광 현상은 1808년 에티엔-루이 말뤼스(Étienne-Louis Malus)에 의해 처음 관찰되었다. 말뤼스는 편광각을 물질의 굴절률과 연관시키려 시도했으나, 당시 사용 가능한 유리의 품질이 일정하지 않아 완성하지 못했다. 이후 1815년에 브루스터는 더 높은 품질의 재료를 사용한 실험을 통해 이 각도가 굴절률의 함수임을 보여주었고, 브루스터 법칙을 정립하였다.
응용 분야
브루스터 각은 여러 실용 분야에 응용된다. 편광 선글라스는 수평 편광된 빛을 차단하여 도로나 수면에서 발생하는 눈부심(glare)을 줄이는 데 사용되며, 이는 브루스터 각에서 반사된 빛이 s-편광 성분을 강하게 가지는 특성에 기반한다. 사진가들은 물속이나 유리 너머의 피사체를 촬영할 때 편광 필터를 사용하여 반사광을 제거한다.
레이저 물리학에서는 브루스터 각으로 기울어진 창(Brewster window)을 사용하여 반사 손실 없이 특정 편광의 빛을 통과시키고, 레이저가 단일 편광 상태로만 발진하도록 한다. 표면과학에서는 브루스터 각 현미경(Brewster angle microscope)을 이용하여 액체-공기 계면의 분자층을 관찰한다.
관련 현상
반사 표면이 빛을 흡수하는 경우에는 p-편광의 반사율이 0이 아닌 최솟값을 가지는 의사 브루스터 각(pseudo-Brewster's angle)이 존재한다. 또한 자성 재료의 경우, 유전율과 투자율의 상대적 크기에 따라 브루스터 각이 특정 입사 편광에 대해서만 존재할 수 있다.
