Kokonaisheijastus

Kokonaisheijastus on taittumisen rajatapaus, kun valo pyrkii siirtymään suuremman taitekertoimen aineesta pienemmän taitekertoimen aineeseen. Kriittistä tulokulmaa suuremmilla kulmilla etenevää taittunutta sädettä ei enää synny.

Kokonaisheijastuksen kaksi ehtoa

Valon täytyy kulkea suuremmasta taitekertoimesta pienempään, siis n₁ > n₂. Lisäksi normaalista mitatun tulokulman täytyy olla kriittistä kulmaa suurempi. Jos jompikumpi ehto puuttuu, tapahtuu tavallista heijastumista ja taittumista.

Pelkkä suuri kulma ei siis riitä. Ilmasta lasiin tuleva valo ei voi kokonaisheijastua tässä rajapinnassa, koska se kulkee pienemmästä taitekertoimesta suurempaan.

Kokonaisheijastuksen kaksi ehtoan₁n₂normaalisin θc = n₂/n₁
Kokonaisheijastuksen kaksi ehtoa — Valon täytyy kulkea suuremmasta taitekertoimesta pienempään, siis n₁ > n₂. Lisäksi normaalista mitatun tulokulman täytyy olla kriittistä kulmaa suurempi. Jos jompikumpi ehto puuttuu, tapahtuu tavallista heijastumista ja taittumista.

Kriittinen kulma Snellin laista

Kriittisellä kulmalla taittunut säde kulkee rajapinnan suuntaisesti, joten θ₂=90°. Snellin laki antaa sin θc=n₂/n₁, kun n₁>n₂.

Lasista n₁=1,50 ilmaan n₂=1,00 saadaan θc≈41,8°. Siksi 50° tuottaa kokonaisheijastuksen, mutta 30°:ssa rajapinnan läpi kulkee etenevä taittunut säde.

Kriittisen kulman tutkija

50°

Heijastus noudattaa yhä heijastuslakia

Heijastuskulma on edelleen yhtä suuri kuin tulokulma. Sana ”kokonais” tarkoittaa, ettei ideaalissa häviöttömässä mallissa ole etenevää läpäisevää sädettä.

Rajapinnan toiselle puolelle voi silti muodostua nopeasti vaimeneva evanesentti sähkömagneettinen kenttä. Se ei ole geometrisen optiikan tavallinen taittunut säde.

Heijastus noudattaa yhä heijastuslakiamuuttujavasten₁ > n₂fysikaalinen yhteys
Heijastus noudattaa yhä heijastuslakia — Heijastuskulma on edelleen yhtä suuri kuin tulokulma. Sana ”kokonais” tarkoittaa, ettei ideaalissa häviöttömässä mallissa ole etenevää läpäisevää sädettä.

Valokuidut

Valokuidun ytimen taitekerroin on hieman suurempi kuin vaipan. Sopivassa kulmassa kytketyt säteet kohtaavat ytimen ja vaipan rajan kriittistä kulmaa suuremmassa kulmassa ja pysyvät ohjattuina.

Todellista kuitua kuvataan sähkömagneettisilla moodeilla eikä kirjaimellisella siksak-säteellä, mutta sädemalli selittää hyvin taitekerroineron merkityksen.

Kulma mitataan normaalista

Snellin laissa kaikki kulmat mitataan normaalista, eivät pinnasta. Lähes rajapinnan suuntainen säde on siis suuren tulokulman säde.

Kriittinen kulma riippuu molemmista aineista. Kun n₂ kasvaa samalla n₁:llä, suhde n₂/n₁ kasvaa ja kriittinen kulma suurenee, joten ohjautuvien kulmien alue muuttuu.

Ratkaistuja esimerkkejä

1. Lasi–ilma

Lasin n₁=1,50 ja ilman n₂=1,00. Laske θc.

Ratkaisu

θc=arcsin(1,00/1,50)≈41,8°.

2. Ilma–lasi

Voiko ilmasta lasiin tuleva säde kokonaisheijastua?

Ratkaisu

Ei. Kokonaisheijastus edellyttää siirtymistä suuremmasta pienempään taitekertoimeen.

3. Lasi–vesi

n₁=1,50, n₂=1,33. Onko 70° kriittisen kulman yläpuolella?

Ratkaisu

θc≈arcsin(1,33/1,50)=62,5°. 70° antaa kokonaisheijastuksen.

Hyvä tarkistusmenetelmä on kirjoittaa ensin etenemissuunta aineesta toiseen ja vasta sitten kulma. Kriittinen kulma ei ole pelkän lasin ominaisuus, vaan aineparin ominaisuus. Oikeissa kuiduissa on lisäksi absorptio-, sironta- ja taivutushäviöitä, vaikka ideaalinen kokonaisheijastus itsessään ei tuota tavallista läpäisevää sädettä.