全反射

光经过不同介质时只反射不折射的现象

全反射(英語:Total Internal Reflection),又稱全內反射,是一種光學現象。當光線經過兩個不同折射率介質時,部份的光線會於介質的界面被折射,其餘的則被反射。但是,當入射角比臨界角大時(光線遠離法線),光線會停止進入另一介面,全部向內面反射。[1] [2]

全反射。
法線的角度越大,光線折射的部份則越少,直至當大於臨界角時,全反射便會發生(圖中光線的顏色只是作分別之用,並不表示不同顏色光線的光學情況。)
臨界角

這只會發生在當光線從光密介質(較高折射率的介質)進入到光疏介質(較低折射率的介質),入射角大於臨界角(critical angle)時。因為沒有折射(折射光線消失)而都是反射,故稱之為全反射。例如當光線從玻璃進入空氣時會發生,但當光線從空氣進入玻璃則不會。最常見的是沸騰的水中氣泡顯得十分明亮,就是因爲發生了全反射。

克卜勒Johannes Kepler,1571-1630)在西元1611年於他的著作《Dioptrice》中,已發表全反射的現象。

光學描述

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如圖一所示: 光線從折射率較高的   介質進入折射率較低的   介質: 當入射角   即少於臨界角   時,光線同時發生趨離   介質(normal)的折射,以及向   介質的反射(圖一中紅色光線所示); 當入射角   即大於臨界角  時,   介折射的光線消失,所有光線向   介質中(英語:normal)反射(圖一中藍色光線所示); 全反射僅僅可能發生在當光線從較高折射率的介質(也稱為光密介質)進入到較低折射率的介質(也稱為光疏介質)的情況下,例如當光線從玻璃進入空氣時會發生,但當光線從空氣進入玻璃則不會。

 [3]

例如:

  •  為光纖核心折射率 (英語:refractive index)   1.5
  •   為空氣折射率 (英語:refractive index) = 1
  •   =  
  •  =未知

  

那麼空氣和光纖核心臨界角(  )為  

臨界角

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臨界角(英語:Critical angle)是使得全反射發生的最少的入射角。入射角是從折射界面的法線量度計算的。臨界角( )可從以下方程式計算[2][4]

 

其中 是較低密度介質折射率,及 是較高密度介質的折射率。這條方程式是一條司乃耳定律的簡單應用,當中折射角為90°。 當入射光線是準確地等於臨界角,折射光線會循折射界面的切線進行。以可見光由玻璃進入空氣(或真空)為例,臨界角約為48.7°。

受抑全反射技術

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如果,我們取兩個密介質區域,中間夾著一薄層的疏介質,例如一層厚度與入射光波波長大小相當的空氣薄層,讓光束透過自密介質區射向空氣層,則光會透過薄層,再進入對向的密介質區。這種入射角大於臨界角  ,而又能超越障礙,透射到另一介質的現象,稱為受抑全反射(Frustrated Total Reflection)。[5]

這種現象的產生是由於當發生全反射時,電磁場並非完全沒有進入疏介質;只是進入疏介質區域的電磁場強度以指數式衰減的形式消失。所以在全反射的狀態之下,仍然有部分電磁場進入疏介質薄層後再進入對向的密介質區,只不過這種電磁波的強度會隨著光波行進距離越遠而很快耗損殆盡。[5]

量子力學中的量子穿隧效應,實與此相當。[5]

應用

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綠海龜和它的全反射

光導纖維就是利用了全反射這一原理,由於反射時沒有光線的損失,因此信號可以傳輸到極遠的距離,廣泛應用於內視鏡電信上。海市蜃樓亦是由此一原理所生成,光線從較密的介質(冷空氣)進入到較疏的介質(近地面的熱空氣)。

參見

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參考文獻

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  1. ^ Hecht, Eugene. Optics 4th. United States of America: Addison Wesley. 2002. ISBN 0-8053-8566-5 (英語). 
  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 (英語). 
  3. ^ Optical Fibers. labman.phys.utk.edu. [2020-05-09]. (原始內容存檔於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 (英語). 
  5. ^ 5.0 5.1 5.2 李, 怡嚴. 28. 大學物理學 4 12th. 台北市: 台灣東華書局股份有限公司. 1988: 1461 (中文(臺灣)).