基本介紹
- 中文名：全內反射
- 外文名：total internal reflection TIR
- 又稱：全反射
- 類型：光學現象
- 臨界角符號：θc
- 套用：光導纖維
簡介,光學描述,臨界角,受抑全內反射,全內反射相移,在隱矢波中,套用,舉例,
簡介
全內反射，又稱全反射(total internal reflection TIR)，是一種光學現象。當光線從較高折射率的介質進入到較低折射率的介質時，如果入射角大於某一臨界角θc（光線遠離法線）時，折射光線將會消失，所有的入射光線將被反射而不進入低折射率的介質。
光學描述
如右圖所示，光線從折射率較高的n1介質進入折射率較低的n2介質：
當入射角θ1<臨界角θc時，光線同時發生向n2介質中的折射，以及向n1介質中的反射（圖一中紅色光線所示）；
圖一
圖一當入射角θ2>臨界角θc時，向n2介質中折射的光線消失，所有光線向n1介質中反射（圖一中藍色光線所示）；
臨界角
臨界角是折射角為90°的入射角。 相對於在折射邊界處來測量入射角（參見斯奈爾定律圖）。考慮從玻璃進入空氣的光線，從界面發出的光偏向玻璃板。 當入射角度充分增加時，折射角（空氣中）達到90度。入射角是由折射界面的法線量度。臨界角（θc）可從以下方程式計算：
為了找到臨界角，當
時，我們得到
，因此
。 的結果值等於臨界角
。
現在，我們可以求解 ，得到臨界角方程：
其中n2是較低密度介質的折射率，及n1是較高密度介質的折射率。這條方程式是一條斯涅爾定律的簡單套用。當入射光線是準確的等於臨界角，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41.5°。
受抑全內反射
在正常條件下，衰逝波在界面上傳輸零能量。 然而，如果具有較高折射率的第三介質放置在距離第一介質和第二介質之間的界面的距離不到幾個波長內，則衰逝波將不同於普通波， 它會將能量傳遞到第二種介質中。這個過程稱為受抑全內反射（FTIR），與量子隧道非常相似。 如果將電磁場認為是光子的波函式，量子隧道模型在數學上是類似的。低折射率介質可以被認為是光子可以穿透的勢壘。
FTIR的透射係數對第三介質和第二介質之間的間距高度敏感（直到間隙幾乎閉合為止，函式近似為指數），所以這種效應經常用於調製具有大動態的光學透射和反射範圍。
全內反射相移
一個不太為人所知的全內反射的方面是反射光在反射和入射光之間有一個角度相變，即相移。 在數學上，這意味著菲涅爾反射係數是複數而不是實數。這種相移是偏振相關的，並且隨著入射角與臨界角進一步偏離到掠入射角度而增長。
在隱矢波中
套用
（1）光導纖維就是利用了這一原理，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，廣泛套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）。
（2）全內反射螢光顯微鏡利用了光線在全內反射時產生的隱矢波來激發距離界面很近（百納米左右）的螢光分子並對其成像。這一技術相比傳統的落射式螢光顯微技術有更好的空間分辨能力，主要被套用於生命科學中細胞膜附近區域的成像研究。
（3）全內反射是汽車雨量感測器的工作原理，控制擋風玻璃雨刮器。
（4）全內反射的另一個套用是光的空間濾波。
（5）雙筒望遠鏡中的稜鏡使用全內反射而不是反射塗層摺疊光路並顯示直立圖像。
（6）一些多點觸控螢幕幕使用沮喪的全內部反射與相機和適當的軟體相結合來拾取多個目標。
（7）前房角鏡檢查採用全內反射來觀察眼睛角膜和虹膜之間形成的解剖角度。
（8）步態分析儀器使用受抑全內反射與高速攝像機結合捕獲和分析實驗室齧齒動物的足跡。
（9）光學指紋設備使用受抑全內反射，以便在不使用墨水的情況下記錄人的指紋圖像。
（10）全內反射螢光顯微鏡使用由TIR產生的衰逝波激發靠近表面的螢光團。 這對於研究生物樣品的表面性質是有用的。
舉例
在游泳時當一個人在水面下睜開眼睛的時候，可以觀察到全內反射。如果水是平靜的，它的表面就像鏡子一樣。鑽石的形狀通常也是這樣的，以最大化內部從鑽石背面反射的光量。非常高的鑽石折射率提供了一個小的臨界角，所有進入鑽石的光被反射回來，以最佳化鑽石切割。
