全反射

光经过不同介质时只反射不折射的现象

全反射(英语:Total Internal Reflection),又称全内反射,是一种光学现象。当光线经过两个不同折射率介质时,部分的光线会于介质的界面被折射,其余的则被反射。但是,当入射角比临界角大时(光线远离法线),光线会停止进入另一界面,全部向内面反射。[1] [2]

全反射。
法线的角度越大,光线折射的部分则越少,直至当大于临界角时,全反射便会发生(图中光线的颜色只是作分别之用,并不表示不同颜色光线的光学情况。)
临界角

这只会发生在当光线从光密介质(较高折射率的介质)进入到光疏介质(较低折射率的介质),入射角大于临界角(critical angle)时。因为没有折射(折射光线消失)而都是反射,故称之为全反射。例如当光线从玻璃进入空气时会发生,但当光线从空气进入玻璃则不会。最常见的是沸腾的水中气泡显得十分明亮,就是因为发生了全反射。

开普勒Johannes Kepler,1571-1630)在公元1611年于他的著作《Dioptrice》中,已发表全反射的现象。

光学描述

如图一所示: 光线从折射率较高的   介质进入折射率较低的   介质: 当入射角   即少于临界角   时,光线同时发生趋离   介质(normal)的折射,以及向   介质的反射(图一中红色光线所示); 当入射角   即大于临界角  时,   介折射的光线消失,所有光线向   介质中(英语:normal)反射(图一中蓝色光线所示); 全反射仅仅可能发生在当光线从较高折射率的介质(也称为光密介质)进入到较低折射率的介质(也称为光疏介质)的情况下,例如当光线从玻璃进入空气时会发生,但当光线从空气进入玻璃则不会。

 [3]

例如:

  •  为光纤核心折射率 (英语:refractive index)   1.5
  •   为空气折射率 (英语:refractive index) = 1
  •   =  
  •  =未知

  

那么空气和光纤核心临界角(  )为  

临界角

临界角(英语:Critical angle)是使得全反射发生的最少的入射角。入射角是从折射界面的法线量度计算的。临界角( )可从以下方程计算[2][4]

 

其中 是较低密度介质折射率,及 是较高密度介质的折射率。这条方程是一条斯涅尔定律的简单应用,当中折射角为90°。 当入射光线是准确地等于临界角,折射光线会循折射界面的切线进行。以可见光由玻璃进入空气(或真空)为例,临界角约为48.7°。

受抑全反射技术

如果,我们取两个密介质区域,中间夹着一薄层的疏介质,例如一层厚度与入射光波波长大小相当的空气薄层,让光束透过自密介质区射向空气层,则光会透过薄层,再进入对向的密介质区。这种入射角大于临界角  ,而又能超越障碍,透射到另一介质的现象,称为受抑全反射(Frustrated Total Reflection)。[5]

这种现象的产生是由于当发生全反射时,电磁场并非完全没有进入疏介质;只是进入疏介质区域的电磁场强度以指数式衰减的形式消失。所以在全反射的状态之下,仍然有部分电磁场进入疏介质薄层后再进入对向的密介质区,只不过这种电磁波的强度会随着光波行进距离越远而很快耗损殆尽。[5]

量子力学中的量子隧穿效应,实与此相当。[5]

应用

 
绿海龟和它的全反射

光导纤维就是利用了全反射这一原理,由于反射时没有光线的损失,因此信号可以传输到极远的距离,广泛应用于内视镜电信上。海市蜃楼亦是由此一原理所生成,光线从较密的介质(冷空气)进入到较疏的介质(近地面的热空气)。

参见

参考文献

  1. ^ Hecht, Eugene. Optics 4th. United States of America: Addison Wesley. 2002. ISBN 0-8053-8566-5 (英语). 
  2. ^ 2.0 2.1 Paul Lorrain; Dale P. Corson. Electromagnetic Fields and Waves 3rd. New York: W. H. Freeman and Company. 1988: 581. ISBN 0-7167-1869-3 (英语). 
  3. ^ Optical Fibers. labman.phys.utk.edu. [2020-05-09]. (原始内容存档于2020-10-22). 
  4. ^ John R. Reitz; Frederick J. Milford. 18. Foundations of Electromagnetic Theory Fourth. Addison-Wesley Publishing Company. 1993: 454. ISBN 0-201-52624-7 (英语). 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 李, 怡严. 28. 大學物理學 4 12th. 台北市: 台湾东华书局股份有限公司. 1988: 1461 (中文(台湾)).