Popolni notranji odboj

Popolni notranji odboj je mejni primer loma svetlobe. Ko svetloba prehaja iz sredstva z večjim lomnim količnikom v sredstvo z manjšim in je vpadni kot dovolj velik, Snellov zakon ne dopušča več razširjajočega se lomljenega žarka.

manjši nvečji n θ < θcθ = θcθ > θc

Dva pogoja za popolni notranji odboj

Hkrati morata biti izpolnjena dva pogoja: svetloba potuje iz sredstva z lomnim količnikom n₁ v sredstvo z manjšim n₂, vpadni kot, merjen od normale na mejo, pa preseže mejni kot. Sam velik kot ne zadostuje, če svetloba potuje v nasprotni smeri.

Pod mejnim kotom obstaja lomljeni žarek. Pri mejnem kotu potuje vzdolž meje, nad njim pa v idealnem modelu brez izgub ostane le odbiti žarek.

Mejni kot iz Snellovega zakona

Pri θ = θc je lomni kot 90°. Iz Snellovega zakona dobimo sin θc = n₂/n₁, vendar le za n₁ > n₂. Če je n₁ ≤ n₂, v tej smeri mejni kot za popolni notranji odboj ne obstaja.

Preizkusi mejni kot

50°

Odboj še vedno sledi zakonu odboja

Odbiti žarek sledi običajnemu zakonu odboja: odbojni kot je enak vpadnemu kotu. Beseda »popolni« pomeni, da v idealnem modelu brez izgub v drugo sredstvo ne potuje razširjajoč se prepuščeni žarek.

Tik za mejo lahko vseeno obstaja evanescentno elektromagnetno polje. Z razdaljo hitro pojema in ni navaden lomljeni žarek geometrijske optike.

optično vlakno: jedro n₁ > n₂

Optična vlakna

Jedro optičnega vlakna ima večji lomni količnik kot obloga. Žarki, vpeljani v ustreznem območju kotov, zadenejo mejo jedro–obloga nad mejnim kotom in ostanejo vodeni.

Pravo optično vlakno podpira elektromagnetne načine, ne dobesedno cikcakaste poti enega žarka. Žarkovni model pa dobro pokaže, zakaj razlika lomnih količnikov omogoča vodenje svetlobe.

Kot merimo od normale, ne od površine

Vpadni in mejni kot merimo od normale. Žarek, ki je skoraj vzporeden z mejo, ima zato velik vpadni kot. Zamenjava te konvencije je pogost vir napak.

Mejni kot je odvisen od obeh snovi. Sprememba n₂ pri nespremenjenem n₁ spremeni razmerje n₂/n₁ in θc. Pri načrtovanju vlaken so pomembni še premer jedra in valovna dolžina.

Rešeni primeri

1. Steklo–zrak

Izračunaj mejni kot za steklo n₁ = 1,50 in zrak n₂ = 1,00.

Rešitev

sin θc = 1,00/1,50, zato je θc ≈ 41,8°.

2. Ali je mogoč popolni odboj iz zraka v steklo?

Žarek potuje iz zraka (1,00) v steklo (1,50). Ali lahko na tej meji nastopi popolni notranji odboj?

Rešitev

Ne. Sredstvo, iz katerega žarek prihaja, mora imeti večji lomni količnik.

3. Presodi vpadni kot

Pri n₁ = 1,60 in n₂ = 1,20 žarek vpada pod kotom 55°. Ali nastopi popolni odboj?

Rešitev

θc = sin⁻¹(1,20/1,60) ≈ 48,6°. Ker je 55° > 48,6°, nastopi popolni notranji odboj.