החזרה פנימית מלאה

שני תנאים שחייבים להתקיים יחד

התנאי הראשון הוא שמקדם השבירה בתווך הפוגע n₁ יהיה גדול מן המקדם n₂ בצד השני. התנאי השני הוא שזווית הפגיעה θ, הנמדדת מן הנורמל למשטח, תהיה גדולה מן הזווית הקריטית θc. אם כיוון המעבר הפוך ו־n₁≤n₂, החזרה פנימית מלאה אינה אפשרית בשום זווית.

הזווית הקריטית מחוק סנל

במצב הגבולי הקרן הנשברת נמצאת ב־90° לנורמל ונעה לאורך הממשק. מחוק סנל מתקבל sin θc = n₂/n₁ עבור n₁>n₂. לכן הזווית הקריטית נקבעת על ידי זוג החומרים. זכוכית–אוויר וזכוכית–מים אינן נותנות אותה זווית, מפני שהיחס בין מקדמי השבירה שונה.

מה באמת פירוש המילה „מלאה“?

הקרן המוחזרת עדיין מצייתת לחוק ההחזרה הרגיל: זווית ההחזרה שווה לזווית הפגיעה. המילה „מלאה“ מציינת שאין קרן מועברת מתפשטת במודל אידאלי חסר בליעה. עם זאת, בצד השני קיים שדה אוונסנטי הדועך במהירות עם המרחק מן הממשק, והוא חשוב בחיישנים ובצימוד אופטי. בממשק אידאלי חסר בליעה מתקבל מקדם החזרה של יחידה עבור ההספק המתפשט, אך הפאזה של השדה המוחזר עדיין משתנה עם הזווית והקיטוב. לכן החזרה פנימית מלאה משמשת לא רק להנחיית אור אלא גם ברכיבים שבהם שינויי פאזה חשובים.

כיצד סיב אופטי מנחה אור

בליבת סיב אופטי מקדם השבירה מעט גדול מזה של המעטפת. קרניים או מצבים אלקטרומגנטיים שפוגעים בגבול ליבה–מעטפת בתנאים הנכונים נשארים מונחים לאורך הסיב. ציור של קרן המזגזגת בין הדפנות הוא קירוב גאומטרי שימושי; בסיב אמיתי התיאור המדויק הוא של מצבים גליים. הפרש מקדמי השבירה קובע גם את המפתח הנומרי ואת תחום זוויות הקבלה בכניסה לסיב. הפרש גדול יותר יכול להרחיב את תחום הקבלה, אך תכנון אמיתי מאזן בין הנחיה, מספר המצבים, נפיצה והפסדים. מאחר שמקדם השבירה תלוי גם באורך הגל, הזווית הקריטית אינה זהה לחלוטין לכל צבע.

את הזווית מודדים מן הנורמל

טעות שכיחה היא למדוד את θ מן המשטח עצמו. באופטיקה גאומטרית זווית הפגיעה נמדדת מן הנורמל, ולכן קרן שכמעט מקבילה לממשק היא דווקא בעלת זווית פגיעה גדולה. שינוי חומר המעטפת משנה את n₂ ולכן משנה את θc ואת תחום המצבים שניתן להנחות. ההבחנה בין זווית מן המשטח לזווית מן הנורמל חיונית לפתרון נכון של בעיות. בנוסף, תנאי גאומטרי של החזרה מלאה אינו מבטיח מערכת חסרת הפסדים: חספוס, בליעה וכיפוף של הסיב יכולים להוציא אנרגיה מן המצב המונחה גם כאשר התנאי המקומי מתקיים.

דוגמאות פתורות

מזכוכית לאוויר

האם מעבר מאוויר לזכוכית יכול לתת החזרה מלאה?

סיווג זווית פגיעה