Pilnīga iekšējā atstarošana

Pilnīga iekšējā atstarošana ir robežgadījums gaismas laušanai. Ja gaisma pāriet no vides ar lielāku laušanas koeficientu uz vidi ar mazāku, virs kritiskā krišanas leņķa Snela likums vairs nepieļauj izplatošu lauzto staru.

Divi pilnīgas iekšējās atstarošanas nosacījumi

Vienlaikus jāizpildās diviem nosacījumiem: n₁ jābūt lielākam par n₂ un no normāles mērītajam krišanas leņķim jāpārsniedz kritiskais leņķis. Liels leņķis vien nav pietiekams, ja gaisma virzās no mazāka laušanas koeficienta uz lielāku.

Laušanas koeficients parasti ir atkarīgs arī no viļņa garuma, tāpēc vienai un tai pašai divu materiālu robežai dažādām krāsām kritiskais leņķis var nedaudz atšķirties. Optiskajā šķiedrā svarīgs nav tikai θc: serdes un apvalka laušanas koeficientu starpība nosaka arī leņķu diapazonu, kurā ievadītā gaisma var tikt vadīta. Tātad pilnīga iekšējā atstarošana nav vienkārši “liela leņķa” parādība — to kopā nosaka izplatīšanās virziens, abu vidu optiskās īpašības un viļņa garums.

normālekrītošais starsatstarotais starsrobeža
Divi pilnīgas iekšējās atstarošanas nosacījumi

Kritiskais leņķis no Snela likuma

sin θc = n₂/n₁   (n₁ > n₂)

Pie kritiskā leņķa lauztais stars iet gar robežvirsmu un veido 90° ar normāli. No n₁sinθ₁=n₂sinθ₂ iegūst sinθc=n₂/n₁, ja n₁>n₂. Ja θ>θc, ģeometriskajā optikā otrajā vidē nav izplatoša pārraidīta stara.

Kritiskā leņķa pētnieks

Atstarošana joprojām ir parasta atstarošana

Atstarotais stars joprojām ievēro atstarošanas likumu: atstarošanas leņķis ir vienāds ar krišanas leņķi. “Pilnīga” ideālajā modelī nozīmē izplatoša pārraidīta viļņa neesamību; aiz robežas var pastāvēt ātri dziestošs evanescentais lauks.

Optiskās šķiedras

Optiskās šķiedras serdei ir lielāks laušanas koeficients nekā apvalkam. Atbilstoši ievadīti stari robežu sasniedz virs θc un tiek vadīti ar atkārtotām atstarošanām. Reālās šķiedrās izplatās elektromagnētiskie modi, bet staru modelis labi parāda koeficientu kontrasta nozīmi.

serdeapvalks
Optiskās šķiedras

Kritisko leņķi mēra no normāles

Leņķus Snela likumā mēra no normāles, nevis no virsmas. Tāpēc stars, kas gandrīz paralēls robežai, ir ar lielu krišanas leņķi. θc ir atkarīgs no abām vidēm un mainās līdz ar n₂/n₁.

Ir lietderīgi atšķirt staru modeli no pilna elektromagnētiskā apraksta. Ideālas pilnīgas iekšējās atstarošanas gadījumā otrajā vidē nav parasta izplatoša enerģijas plūsma, tomēr lauks tieši aiz robežas nav precīzi nulle. Evanescentais lauks iesniedzas nelielā dziļumā un eksponenciāli dziest; šo efektu izmanto sensoros un optiskajā sakabē.

Atrisināti piemēri

1. Stikls uz gaisu

Risinājums. n₁=1,50, n₂=1,00: θc≈41,8°.

2. Gaiss uz stiklu

Risinājums. No 1,00 uz 1,50 pilnīga iekšējā atstarošana nav iespējama.

3. Krišanas leņķa pārbaude

Risinājums. n₁=1,60 un n₂=1,20 dod θc≈48,6°. Tā kā 55°>48,6°, notiek pilnīga iekšējā atstarošana.