全反射
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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的介質時,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]
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。
開普勒(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
[編輯]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。
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
[編輯]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的折射率,及是較高密度介質的折射率。這條方程式是一條斯涅耳定律的簡單應用,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
[編輯]如果,我們取兩個密介質區域,中間夾着一薄層的疏介質,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着光波行進距離越遠而很快耗損殆盡。[5]
應用
[編輯]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5c/Total_internal_reflection_of_Chelonia_mydas.jpg/250px-Total_internal_reflection_of_Chelonia_mydas.jpg)
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,廣泛應用於內視鏡及電信上。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
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ Hecht, Eugene. Optics 4th. United States of America: Addison Wesley. 2002. ISBN 0-8053-8566-5 (英語).
- ^ 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).
- ^ Optical Fibers. labman.phys.utk.edu. [2020-05-09]. (原始內容存檔於2020-10-22).
- ^ 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).
- ^ 5.0 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)).