全反射

全反射需要同时满足两个条件

第一，光必须从较大的折射率 n₁ 一侧射向较小的折射率 n₂ 一侧，即 n₁>n₂。第二，入射角必须大于临界角，而且角度都从界面法线量起。

如果方向反过来，从低折射率介质进入高折射率介质，就不存在这种临界角条件。光仍会发生折射和反射，但不会因为增大入射角而进入全反射。

由斯涅尔定律求临界角

斯涅尔定律为 n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂。临界状态下折射角 θ₂=90°，因此得到 sin θc = n₂/n₁，只在 n₁>n₂ 时有物理解。

临界角属于某一对介质，而不是光源本身的固定属性。例如玻璃—空气界面的临界角通常比水—空气界面更小，因为折射率之比不同。

临界角探索器

调节两侧折射率和入射角。工具先判断 n₁>n₂ 是否成立，再比较入射角与临界角。

反射仍遵守普通反射定律

进入全反射并不意味着反射定律改变。反射角仍等于入射角。改变的是折射分量：在临界角以上，第二介质中不再有向远处传播的折射光。

在更完整的波动描述中，低折射率一侧仍存在迅速衰减的倏逝场，因此“全反射”并不等于界面另一侧的电磁场严格为零。

光纤如何利用全反射

光纤由高折射率纤芯和略低折射率包层组成。合适角度进入纤芯的光在纤芯—包层界面反复全反射，因此能沿弯曲路径传播很长距离。

真正的光纤设计还要考虑数值孔径、模式、色散与吸收损耗，但全反射给出了最直观的几何光学图像。

临界角不是相对表面的角

入射角、反射角和临界角都从法线量起，而不是从界面本身量起。从表面量得 30°，等价于从法线量得 60°。把这两个参考方向混淆，是全反射题中最常见的错误之一。

计算示例

1. 玻璃到空气

取 n₁=1.50、n₂=1.00，求临界角。

2. 水到空气

水的折射率约为 1.33，空气约为 1.00。求临界角。

3. 方向反过来

光从空气射向折射率 1.50 的玻璃。是否存在全反射临界角？