Повне внутрішнє відбиття
Повне внутрішнє відбиття виникає, коли хвиля переходить з середовища з більшим показником заломлення до меншого і кут падіння перевищує критичний. Тоді поширюваний заломлений промінь зникає, а енергія майже повністю повертається у перше середовище.
Умова
Необхідно n₁>n₂. Якщо світло йде з меншого n у більше, закон Снелліуса завжди має реальний заломлений кут і повного внутрішнього відбиття в цьому сенсі не буде.
Критичний кут
При θ_c заломлений промінь має 90° до нормалі. Тому sinθ_c=n₂/n₁. Для більших кутів формальна вимога sinθ₂>1 означає, що немає поширюваної хвилі у другому середовищі.
Еванесцентне поле
Поле не стає точно нульовим за межею. Є еванесцентна хвиля, амплітуда якої експоненційно спадає з відстанню. Якщо поруч розмістити третє середовище, енергія може тунелювати через малий проміжок — фрустроване повне відбиття.
Оптичне волокно
Серцевина має трохи більший n, ніж оболонка. Граничні умови підтримують керовані моди, і в променевій картині це пов’язано з повним внутрішнім відбиттям. Числова апертура задає діапазон кутів введення, що можуть ефективно поширюватися.
Призми
Призми у біноклях і перископах можуть замінювати металеві дзеркала, використовуючи дуже високу відбивну здатність повного внутрішнього відбиття. Геометрія повинна гарантувати внутрішні кути вище критичного.
Дисперсія
Оскільки n залежить від довжини хвилі, критичний кут також трохи залежить від кольору. У точних системах це може впливати на керування модами, втрати та спектральну характеристику.
Не плутати
Звичайне відбиття Френеля від скла при малому куті є лише частковим. Для повного внутрішнього відбиття одночасно потрібні правильний напрям переходу n₁>n₂ і достатньо великий кут падіння.
Глибина проникнення
Довжина спадання еванесцентного поля залежить від довжини хвилі, показників заломлення та того, наскільки кут перевищує критичний. Це дозволяє зондувати тонкий шар біля поверхні без освітлення глибокого об’єму. ATR-спектроскопія використовує саме таку локальну взаємодію.
Зсув Гуса–Генхена
При повному внутрішньому відбитті реальний пучок може мати невеликий бічний зсув уздовж межі, ніби точка відбиття трохи змістилась. Це хвильовий ефект, якого немає в простій променевій картині, і ще один доказ того, що “повне відбиття” не означає відсутність поля біля межі.
Датчики
Зміна середовища біля еванесцентного поля змінює умови відбиття, тому призми й волокна можуть працювати як сенсори показника заломлення, адсорбції або біомолекулярного зв’язування.
Вправа
Для скла n=1,50 та повітря n=1,00 знайдіть критичний кут.
Розв’язання
sinθ_c=1/1,5≈0,667, тому θ_c≈41,8°. Для більших внутрішніх кутів виникає повне внутрішнє відбиття.