Pemantulan internal total

Ketika cahaya bergerak dari medium berindeks bias lebih tinggi ke medium berindeks lebih rendah, sudut bias membesar saat sudut datang diperbesar. Pada sudut kritis, sinar bias merambat sepanjang batas; di atasnya tidak ada lagi sinar bias yang merambat menjauh di medium kedua dan cahaya dipantulkan kembali. Inilah pemantulan internal total.

Dua syarat yang harus dipenuhi

Pertama, cahaya harus bergerak dari sisi dengan indeks bias n₁ lebih besar ke sisi n₂ lebih kecil, jadi n₁>n₂. Kedua, sudut datang yang diukur dari garis normal harus lebih besar daripada sudut kritis.

Jika arah dibalik, dari indeks rendah ke indeks tinggi, tidak ada sudut kritis jenis ini. Refleksi dan refraksi tetap terjadi, tetapi memperbesar sudut datang tidak membawa cahaya ke pemantulan internal total.

Dari indeks tinggi ke rendah, sinar bias menjauh dari normal saat sudut datang bertambah; pada keadaan kritis sinar berjalan sepanjang batas.

Sudut kritis dari hukum Snell

Hukum Snell adalah n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂. Pada keadaan kritis θ₂=90°, sehingga sin θc=n₂/n₁. Sudut kritis fisik hanya ada jika n₁>n₂.

sin θ_c = n₂/n₁ (n₁ > n₂)

Sudut kritis ditentukan oleh pasangan medium. Kaca–udara dan air–udara, misalnya, memiliki sudut kritis berbeda karena rasio indeks biasnya berbeda.

Eksplorasi sudut kritis

Ubah kedua indeks bias dan sudut datang untuk memeriksa syarat n₁>n₂ dan membandingkan sudut datang dengan sudut kritis.

n₁ n₂ Sudut datang 50°

Pemantulan tetap merupakan pemantulan biasa

Ketika pemantulan internal total terjadi, hukum pemantulan tidak berubah: sudut pantul tetap sama dengan sudut datang. Yang hilang adalah komponen bias yang merambat jauh di medium kedua.

Dalam deskripsi gelombang yang lebih lengkap, masih ada medan evanescent yang meluruh cepat di sisi berindeks rendah. Jadi kata “total” tidak berarti medan elektromagnetik di sisi lain tepat nol.

Serat optik

Serat optik memiliki inti berindeks bias tinggi yang dikelilingi selubung dengan indeks sedikit lebih rendah. Cahaya yang masuk dengan kondisi sesuai mengalami pemantulan internal total berulang di batas inti–selubung dan dapat dipandu sangat jauh.

Serat nyata juga melibatkan apertur numerik, mode, dispersi, dan rugi serapan, tetapi pemantulan internal total memberi gambaran optik geometris yang paling langsung.

Pada serat optik, indeks inti lebih tinggi daripada selubung sehingga sinar yang sesuai mengalami pemantulan internal total berulang.

Sudut kritis bukan sudut terhadap permukaan

Sudut datang, sudut pantul, dan sudut kritis semuanya diukur dari garis normal, bukan dari permukaan. Sudut 30° terhadap permukaan berarti 60° terhadap normal. Menukar acuan ini adalah kesalahan yang sangat umum.

Contoh terhitung

1. Kaca ke udara

Ambil n₁=1,50 dan n₂=1,00. Hitung sudut kritis.

Penyelesaian

sinθc=1,00/1,50=0,667 sehingga θc≈41,8°. Sudut datang dari normal yang lebih besar menghasilkan pemantulan internal total.

2. Air ke udara

Gunakan n air=1,33 dan udara=1,00.

Penyelesaian

θc=arcsin(1,00/1,33)≈48,8°. Cahaya di dalam air dengan sudut lebih besar dipantulkan kembali dari permukaan.

3. Arah dibalik

Cahaya dari udara masuk ke kaca n=1,50. Adakah sudut kritis untuk pemantulan internal total?

Penyelesaian

Tidak. Karena n₁<n₂, maka n₂/n₁>1 dan persamaan sinθc=n₂/n₁ tidak memiliki solusi sudut nyata.