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物理 · 光学

全反射与临界角

全反射现象发生在光从折射率较高的介质中进入折射率较低的介质时,以及当入射角大于临界角时。在理想且无损的边界条件下,当不存在传播的折射光时,光会被反射,而不是折射。

相关实验:光的折射与全反射 →
光的折射与全反射
光的折射与全反射实验场景 →

请检查这两个条件,顺序进行。

第一个条件是 n₁ > n₂。从玻璃到空气中可以发生完全内反射,但从空气到玻璃中无法发生。第二个条件是一个入射角,相对于法线,大于临界角。

关键角是指光线入射角,使得斯涅定律给出折射角为 90°,即 sinθc = n₂/n₁。 较小的折射指数比 n₂/n₁ 对应着较小的关键角。 仅凭较大的入射角,并不能引起全反射。

正位于临界角度的下方、正上以及上方,存在差异。

在临界角度以下,折射光可以传播到低折射率介质中。 在临界角度,理想的折射光线会沿着边界传播。 在该角度之上,斯涅定律对于传播的折射光线,没有实际角度。

在波的描述中,全内反射仍然可以产生衰减指数的会聚场,该场在低折射率介质的边界附近会衰减。因此,说在另一侧不存在电磁场是不准确的。 这一页及其光线模型,旨在探讨是否会有一个折射光线远离边界。

这种在光纤中是如何使用的?

光纤是通过制造具有比周围包层的更高的折射率的材料来生产的。这使得光可以发生散射。当光以适当的方向进入时,它会满足光纤核心边界上的全反射条件,并继续传播。这可以被描述为一种光以简单光束图来多次反射的路径。

并非所有进入任何方向的光都会被自动捕获。进入的角度、核心和包层的折射率,以及弯曲的程度,都会影响传输。对于极薄的纤维,实际的模式和损耗需要比简单的边界光模型更详细的波学分析。

关键关系与符号

sinθc = n₂/n₁ (n₁ > n₂) · 整体内反射,当入射角 θ_incident > θc

符号及公式中使用的单位
符号含义单位
n₁入射介质的折射率无单位
n₂其他介质的折射率无单位
θc从法线的临界角° 或 rad

工作实例

当一个球从折射率为 1.5 的玻璃中进入空气时,其临界角是多少?

该角度为 θc = arcsin(1/1.5) ≈ 41.8°。 在 30° 处,存在折射;在 50° 处,存在全内反射。 如果入射介质被反转,即光入射的介质被翻转,那么即使在 50° 处,这种全内反射的条件也不适用。

常见误解

  • 当光从空气进入玻璃时,增加入射角不会导致该方向上的全反射。
  • 折射角是指,当折射角为 90° 时,对应的入射角。这与反射角无关。

通过实验探索这个概念

参考文献

OpenStax · 物理章节 (英文)