Reflexie internă totală
Reflexia internă totală este cazul-limită al refracției. Când lumina încearcă să treacă dintr-un mediu cu indice de refracție mai mare într-unul cu indice mai mic, peste un unghi critic legea lui Snell nu mai permite o rază refractată care să se propage.
Cele două condiții pentru reflexia internă totală
Trebuie îndeplinite simultan două condiții: lumina să treacă de la n₁ la un n₂ mai mic, iar unghiul de incidență măsurat față de normală să depășească unghiul critic. Un unghi mare nu este suficient dacă lumina merge dintr-un mediu cu indice mai mic spre unul cu indice mai mare.
Unghiul critic din legea lui Snell
sin θc = n₂/n₁ (n₁ > n₂)
La unghiul critic, raza refractată se deplasează de-a lungul interfeței și face 90° cu normala. Din n₁sinθ₁=n₂sinθ₂ rezultă sinθc=n₂/n₁ pentru n₁>n₂. Dacă θ>θc, modelul de optică geometrică nu mai are o rază transmisă propagativă.
Exploratorul unghiului critic
Reflexia rămâne o reflexie obișnuită
Raza reflectată respectă în continuare legea reflexiei: unghiul de reflexie este egal cu cel de incidență. „Totală” înseamnă absența unei unde transmise propagative în modelul ideal; imediat dincolo de interfață poate exista un câmp evanescent care scade rapid.
Fibre optice
Miezul unei fibre optice are indice mai mare decât învelișul. Razele lansate într-un domeniu potrivit de unghiuri lovesc interfața peste θc și rămân ghidate prin reflexii repetate. Fibrele reale transportă moduri electromagnetice, dar modelul cu raze arată clar rolul contrastului de indice.
Unghiul critic se măsoară față de normală
Unghiurile din legea lui Snell se măsoară față de normală, nu față de suprafață. O rază aproape paralelă cu interfața are deci un unghi mare de incidență. θc depinde de ambele materiale și se modifică odată cu raportul n₂/n₁.
Este util să separăm modelul cu raze de descrierea electromagnetică completă. În reflexia internă totală ideală nu există o undă transmisă propagativă care să transporte energie în al doilea mediu, dar câmpul nu devine exact zero la interfață. Un câmp evanescent pătrunde puțin dincolo de limită și scade exponențial, efect exploatat în senzori și în cuplaje optice.
Exemple rezolvate
1. Sticlă spre aer
Soluție. n₁=1,50, n₂=1,00: θc≈41,8°.
2. Aer spre sticlă
Soluție. Din 1,00 spre 1,50 reflexia internă totală nu poate apărea.
3. Clasificarea unui unghi
Soluție. n₁=1,60 și n₂=1,20 dau θc≈48,6°. Deoarece 55°>48,6°, apare reflexia internă totală.