Phản xạ toàn phần
Khi ánh sáng đi từ môi trường có chiết suất lớn sang môi trường có chiết suất nhỏ, góc khúc xạ tăng khi góc tới tăng. Tại một góc tới hạn, tia khúc xạ chạy dọc theo mặt phân cách; vượt quá góc này, không còn tia khúc xạ truyền đi vào môi trường thứ hai và ánh sáng bị phản xạ trở lại. Đó là phản xạ toàn phần.
Hai điều kiện phải đồng thời thỏa mãn
Thứ nhất, ánh sáng phải truyền từ phía có chiết suất n₁ lớn sang phía có n₂ nhỏ, tức n₁>n₂. Thứ hai, góc tới đo từ pháp tuyến phải lớn hơn góc tới hạn.
Nếu ánh sáng đi theo chiều ngược lại, từ chiết suất nhỏ sang lớn, không tồn tại góc tới hạn kiểu này. Vẫn có phản xạ và khúc xạ, nhưng tăng góc tới không đưa hệ sang phản xạ toàn phần.
Tính góc tới hạn từ định luật Snell
Định luật Snell là n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂. Ở trạng thái tới hạn, θ₂=90°, vì vậy sin θc=n₂/n₁. Góc tới hạn thực chỉ tồn tại khi n₁>n₂.
sin θc = n₂/n₁ (n₁ > n₂)
Góc tới hạn là tính chất của cặp môi trường. Chẳng hạn thủy tinh–không khí và nước–không khí có góc tới hạn khác nhau vì tỉ số chiết suất khác nhau.
Khám phá góc tới hạn
Thay đổi hai chiết suất và góc tới để kiểm tra điều kiện n₁>n₂ và so sánh với góc tới hạn.
Phản xạ vẫn tuân theo định luật phản xạ
Khi xảy ra phản xạ toàn phần, định luật phản xạ không thay đổi: góc phản xạ vẫn bằng góc tới. Điều thay đổi là phần truyền qua; trên góc tới hạn không còn sóng khúc xạ lan truyền ra xa trong môi trường thứ hai.
Mô tả bằng sóng đầy đủ hơn vẫn có một trường suy giảm rất nhanh ở phía chiết suất thấp. Vì thế “toàn phần” không có nghĩa điện từ trường bên kia mặt phân cách bằng đúng không.
Sợi quang
Sợi quang gồm lõi có chiết suất cao được bao quanh bởi lớp vỏ có chiết suất thấp hơn một chút. Tia đi vào lõi với điều kiện phù hợp sẽ phản xạ toàn phần liên tiếp ở biên lõi–vỏ và được dẫn đi xa.
Thiết kế sợi quang thực tế còn phụ thuộc khẩu độ số, mode truyền, tán sắc và suy hao hấp thụ, nhưng phản xạ toàn phần cho mô hình hình học trực quan nhất.
Góc tới hạn không đo từ mặt phân cách
Góc tới, góc phản xạ và góc tới hạn đều được đo từ pháp tuyến, không phải từ mặt phân cách. Một tia tạo 30° với mặt phân cách tạo 60° với pháp tuyến. Nhầm hai mốc này là lỗi rất thường gặp.
Ví dụ có lời giải
1. Từ thủy tinh ra không khí
Cho n₁=1,50 và n₂=1,00. Tính góc tới hạn.
Lời giải
sinθc=1,00/1,50=0,667 nên θc≈41,8°. Góc tới lớn hơn giá trị này, đo từ pháp tuyến, gây phản xạ toàn phần.
2. Từ nước ra không khí
Lấy n của nước là 1,33 và không khí là 1,00.
Lời giải
θc=arcsin(1,00/1,33)≈48,8°. Từ dưới nước, ánh sáng tới mặt nước với góc lớn hơn sẽ bị phản xạ lại.
3. Đổi chiều truyền
Ánh sáng đi từ không khí vào thủy tinh n=1,50. Có góc tới hạn cho phản xạ toàn phần không?
Lời giải
Không. Khi n₁<n₂ thì n₂/n₁>1 nên phương trình sinθc=n₂/n₁ không có nghiệm góc thực.