Полное внутреннее отражение: что это такое, формула, пример расчета, применение

Полное внутреннее отражение (англ. total internal reflection) – это явление, при котором свет, падающий на границу двух сред из среды с большим показателем преломления под углом, превышающим предельный угол αпр , не преломляется, а полностью отражается, так что энергия падающего света отражается в первую среду.

Вам интересно, почему полное отражение электромагнитных волн зависит от различных сред и углов? А как можно вычислить угол, при которым происходит полное внутреннее отражение? Именно об этом вы узнаете далее из моей статьи.

Описание явления и формула

Свет, то есть электромагнитная волна в диапазоне от 380 нм до 780 нм, достигая границы сред, может претерпевать два явления: отражение и преломление (рис. 1.).

Явления полного отражения света
Рис. 1. Свет, падающий на границу между средами с различными показателями преломления, может претерпевать два явления: отражение и преломление.

Однако иногда случается, что явление преломления не происходит. Давайте рассмотрим это подробнее. В первой среде, показатель преломления которой будет больше, чем во второй, поместим источник света под малым углом падения. Затем вы заметите, что оба явления имеют место. Теперь давайте постепенно увеличивать угол падения. В определенный момент мы достигнем ситуации, когда угол преломления будет равен 90° и свет будет “скользить” через границу сред (рис. 2.). Угол падения в этом случае называется предельным углом.

Свет, падающий на границу сред под граничным углом, "скользит" через границу
Рис. 2. Свет, падающий на границу сред под граничным углом, “скользит” через границу

Предельный угол αпр (или критический угол) – максимальный угол падения света на границе двух сред, при котором происходит явление преломления.

Если продолжать увеличивать угол падения, то явление преломления не произойдет. Мы будем наблюдать только отражение. Это называется полным внутренним отражением. Это явление было описано в первой половине 19 века независимо друг от друга Жаком Бабинэ и Жаном-Даниэлем Колладоном.

Пример полного внутреннего отражения света
Рис. 3. Пример полного внутреннего отражения света

Если n1 > n2 и угол падения больше предельного угла αпр, то преломление отсутствует, т.е. происходит полное внутреннее отражение (см. рисунок 3).

Поэтому остается вопрос, каков вычислить этот предельный угол? Это максимальный угол падения, при котором мы еще можем говорить о явлении преломления. Затем, пройдя через границу сред, луч “скользит вдоль границы”, и угол преломления составляет 90° (рис. 2.). Таким образом, закон преломления света принимает вид: sin ( αпр ) / sin ( 90° ) = n2 / n1 . Преобразуя приведенную выше формулу, получаем: sin ( αпр ) = sin ( 90° ) * ( n2 / n1 ) = n2 / n1 .

Предельным углом для вычисления полного отражения является угол, обратный функции синуса и отношения показателей преломления оптически менее плотной и оптически более плотной среды, то есть αпр = arcsin ( n2 / n1 ) .

Таким образом, если световая волна падает на границу двух сред таким образом, что угол падения больше arcsin ( n2 / n1 ), то мы говорим о полном внутреннем отражении света.

Но как именно можно определить, является ли среда оптически более плотной или менее плотной?

Закон преломления света можно использовать для описания изменения направления электромагнитных волн при их прохождении через различные среды. Прежде всего, необходимо дать некоторые определения.

В оптике показатель преломления n указывает на отношение длины волны λ или фазовой скорости c света в вакууме к скорости света в материале или среде ( cср ). Это определяет оптически более плотные среды и оптически менее плотные среды. Соответственно, показатель преломления без единиц измерения можно определить по следующей формуле: n = c / cср = λ / λср .

Формула закона преломления света, как известно, определяется как отношение угла падения α и угла преломленного света β. Это должно быть равно отношению показателей преломления, то есть sin α / sin β = n2 / n1 .

В случае полного внутреннего отражения угол падения или предельный угол αпр равен отношению показателя преломления оптически более плотной среды к оптически менее плотной среде.

Это означает, что если n1 > n2, то при достаточно большом угле падения α , β уже не соответствует действительному (вещественному) числу: sin β = sin α * n1/n2 > 1.

Примеры расчёта

Давайте перейдем от теории к практике и проиллюстрируем, как можно рассчитать предельный угол полного внутреннего отражения. В примере электромагнитная волна из воды попадает в воздух.

Показатель преломления воды составляет около 1,333 при 20°C, тогда как показатель преломления воздуха равен 1,000292. Из этого следует, что в данном примере вода является оптически более плотной средой, а воздух – оптически менее плотной средой, то есть nводы > nвоздуха .

Поэтому предельный угол αпр может быть рассчитан с помощью обратной функции синуса и отношения показателей преломления воздуха и воды, то есть αпр = arcsin ( 1,000292 / 1,333 ) = 48,6° .

На основе определенного предельного угла можно определить три результирующие области:

Если свет проникает через воду и попадает в оптически менее плотную среду – воздух под углом меньше 48,6°, то можно заметить, что часть света отражается, а часть преломляется в пограничном слое (см. рисунок 4).

Переход света из воды в воздух α < 48,6°
Рис. 4. Переход света из воды в воздух α < 48,6°

Однако если свет падает на воздух с определенным предельным углом равным 48,6°, часть электромагнитной волны пройдет точно на границе раздела сред. Другая часть отразится (см. рисунок 5).

Переход света из воды в воздух с α=48,6 градусов
Рис. 5. Переход света из воды в воздух с α=48,6 градусов

Если угол падения теперь больше предельного угла αпр , равного 48,6°, мы говорим о полном внутреннем отражении. В этом случае свет полностью отражается на границе раздела сред, больше не преломляется и, следовательно, больше не проникает в воздух.

Однако существуют некоторые ограничения, чтобы не нарушить общее отражение. Оптически менее плотная среда должна иметь определенную минимальную толщину. Кроме того, оптически менее плотная среда не должна быть абсорбирующей.

Коэффициент экстинкции k используется для описания ослабления электромагнитных волн, например, за счет рассеяния или поглощения. Он определяется как произведение показателя преломления n и коэффициента поглощения κ, то есть k = n * κ .

Применение

Далее рассматриваются некоторые примеры практического применения принципа полного внутреннего отражения электромагнитных волн.

Эффект полного внутреннего отражения особенно полезен для оптических волокон, таких как оптоволоконные кабели. Оптоволоконные кабели состоят из сердечника и оболочки. Сердечник из стекловолокна является оптически плотной средой, а оболочка – оптически менее плотной средой. Благодаря полному внутреннему отражению, свет внутри оптоволоконного кабеля почти полностью отражается от оболочки и остается в сердцевине.

Известный всем кабельный интернет также передается с помощью оптоволоконных кабелей. Здесь электрические сигналы преобразуются в электромагнитные импульсы с помощью электрооптических преобразователей.

Призмы часто используются в оптике. Эти призмы обладают физическим эффектом дисперсии. Благодаря различным частотам электромагнитных волн, призмы могут быть использованы для разделения света на его спектр или спектральные цвета.

Они также используются для определения расстояния от Земли до Луны. Призма, которая служит здесь отражателем, находится на Луне. Если теперь направить лазер с Земли на эту призму, она отразит лазерный луч и отправит его обратно на Землю. Исходя из характеристики скорости света c, равной 300 000 км/с, и расчетного времени возврата t, равного примерно 2,55 с, получается, что расстояние составляет: s = c * t = 300 000 * (2,55 / 2) ≈ 382 500 км .

Другой важной областью, в которой явление полного внутреннего отражения нашло ряд применений, является медицина. Здесь в первую очередь следует отметить возможность заглянуть внутрь тела без хирургического вмешательства. Для этой цели служит устройство, состоящее из нескольких оптических волокон, объединенных вместе. Это нашло применение прежде всего в эндоскопии, которая позволяет проводить неинвазивное обследование, а также брать биопсию и проводить небольшие хирургические вмешательства.

Одно из самых популярных и известных применений этого явления – ювелирная промышленность. Он заключается в придании полированному камню соответствующей формы и покрытии его симметричными плоскостями, так что внутри камня происходит полное внутреннее отражение, и около 80% лучей преломляются. Это позволяет наблюдать характерный блеск бриллиантов

Список использованной литературы

При написании статьи использовались следующие источники информации:

  1. Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
  2. Учебник, Физика, 8 класс. Л.А. Исаченкова, Ю.Д. Лещинский, В.В. Дорофейчик
  3. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Физика – 9, Москва, Просвещение, 1990.