Что такое полное внутреннее отражение

ПО́ЛНОЕ ВНУ́ТРЕННЕЕ ОТРАЖЕ́НИЕ

ПО́ЛНОЕ ВНУ́ТРЕННЕЕ ОТРАЖЕ́НИЕ (ПВО), от­ра­же­ние элек­тро­маг­нит­но­го из­лу­че­ния (в ча­ст­но­сти, све­та) при его па­де­нии на гра­ни­цу двух про­зрач­ных од­но­род­ных сред из сре­ды 1 с бо́льшим по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния $n_1$ на сре­ду 2 с мень­шим по­ка­за­те­лем пре­лом­ле­ния $n_2$ . Этот эф­фект как осо­бый слу­чай пре­лом­ле­ния был от­ме­чен в лу­че­вой оп­ти­ке ещё до воз­ник­но­ве­ния элек­тро­маг­нит­ной тео­рии све­та. При та­ком па­де­нии на пло­скую сре­ду под уг­лом $γ$ угол пре­лом­ле­ния уве­ли­чи­ва­ет­ся, и ко­гда он ста­но­вит­ся рав­ным $90°$ , пре­лом­ле­ние во вто­рую сре­ду пре­кра­ща­ет­ся, а об­рат­ное от­ра­же­ние в пер­вую сре­ду ста­но­вит­ся пол­ным. Это про­ис­хо­дит при т. н. кри­тич. уг­ле па­де­ния $γ_$ , оп­ре­де­ляе­мом из со­от­но­ше­ния $\sin γ_=n_2/n_1$ . ПВО со­храня­ет­ся и при $γ\gt γ_$ . При от­ра­же­нии лу­чей, про­хо­дя­щих из стек­ла ( $n_1=1,42$ ) в воз­дух ( $n_2=1$ ), $γ_≈44°$ .

Практическое занятие №2.
Правило знаков в оптике. Основные законы распространения света

2.4. Задачи на эффект полного внутреннего отражения

2.4.1. Эффект полного внутреннего отражения как частный случай закона преломления

По соотношениям закона преломления несложно установить: Угол полного внутреннего отражения — это угол, при падении под которым луч пойдет вдоль границы раздела двух сред, теоретически даже не проникая ни в одну из них.

Получается, что угол выхода = 90, синус =1. По соотношениям для закона преломления несложно установить:

Угол полного внутреннего отражения:

Легко догадаться, что полное внутреннее отражение может происходить только для перехода из среды более плотной в менее плотную. Иначе получится синус больше 1 (а это невозможно). Например, задача:

Задача 1.

Определить угол полного внутреннего отражения на границе раздела сред стекло-воздух.

Решение:

воздух; ; — угол полного внутреннего отражения.

Ответ: Полное внутреннее отражение будет наступать при углах, больших чем .

При превышении угла полного внутреннего отражения , как видно из рисунка, производится отражение луча от границы раздела по закону отражения.

Задача 2.

Показатель преломления первой среды n 1 =2. Синус угла ПВО =0.71. Определить показатель преломления второй среды.
$F 1.42 % 5

Решение:

По сотношениям для угла ПВО:

n 2 =sin ε ПВО ·n 1

Таким образом, n 2 =0.71·2=1.42

Ответ: Показатель преломления второй среды n 2 =1.42

2.4.2. Применение явления ПВО

Явление полного внутреннего отражения используется в оптике: в волоконной оптике, в призмах для подсветки штрихов и перекрестий и т.д.

a) Световод

Для передачи света или изображения по волокну используется световод:

Свет запускается в жилу световода под углом, большим угла ПВО, и таким образом, многократно отражаясь от стен, свет доходит до конца световода.

б) Призмы

Отражение от граней в призмах.
ПРИЗМА ОПТИЧЕСКАЯ — призма из прозрачного вещества (стекол, кварца, флюорита, LiF, NaCl, KBr, Csl и др.) Различают спектральные (дисперсионные) призмы, которые используют для изучения явлений, связанных с дисперсией света, и применяют в спектральных приборах; отражательные призмы, применяющиеся в оптических системах для изменения направления лучей; поляризационные призмы.

Если расчет показывает, что угол падения луча на отражающую грань больше угла полного внутреннего отражения, это означает, что на данную грань отражающее покрытие наносить не нужно. Например:

Не следует на отражающую грань наносить отражающее покрытие.

Законы отражения и преломления имеют очень важное значение в геометрической оптике, т.к. последовательное их применение к поверхностям оптической системы позволяет производить расчет хода луча, т.е. определять координаты луча.

Полное отражение

Если свет падает из оптически более плотной среды в оптически менее плотную, то при определенном для каждой среды угле падения, преломленный луч исчезает. Наблюдается только отражение. Это явление называется полным внутренним отражением.

Угол падения, которому соответствует угол преломления 90°, называют предельным углом полного внутреннего отражения (α₀).

Из закона преломления следует, что при переходе света из какой-либо среды в вакуум (или воздух)

При переходе между двумя любыми средами:

Предельный угол α₀ для сред стекло — воздух
α₀=42 0

Явление полного отражения света используется в призмах, в волоконной оптике (световодах), в водолазном деле, в ювелирной промышленности.

Световод — стеклянное волокно цилиндрической формы, покрытое оболочкой из прозрачного материала с показателем преломления меньше чем у волокна. За счет многократного полного отражения свет может быть направлен по изогнутому пути.

Поворотные и оборачивающие призмы применяют в перископах, биноклях, киноаппаратах, а также часто вместо зеркал.

Если мы пытаемся из-под воды взглянуть на то, что находится в воздухе, то при определенном значении угла, под которым мы смотрим, можно увидеть отраженное от поверхности воды дно. Это важно учитывать для того, чтобы не потерять ориентировку.

В ювелирном деле огранка камней подбирается так, чтобы на каждой грани наблюдалось полное отражение. Этим и объясняется «игра камней».

Полным внутренним отражением объясняется и явление миража.

Полное внутреннее отражение

Передача данных по оптоволоконным каналом происходит путем преобразования единиц и нулей двоичного сигнала в наличие или отсутствие светового потока (сигнала). Такой световой поток должен оставаться внутри оптического волокна, пока не достигнет его второго конца, и не должен проникать в оболочку оптического волокна. Проникновение света в оболочку будет вызывать потерю мощности, а значит, и затухание сигнала. При изготовлении оптических волокон внешнюю поверхность делают близкой по характеристикам к зеркалу, чтобы распространяющиеся в нем световые лучи отражались. Если любой луч, который падает на границу оптического волокна, полностью отражается по направлению к другому концу волокна, то волокно будет хорошим «проводником» или, как обычно говорят, волноводом для передачи световых волн рисунок 1.

Рис. 1. Полное внутреннее отражение

Законы отражения и преломления позволяют изготавливать оптическое волокно для передачи световых лучей с минимальными потерями энергии. Необходимо придерживаться двух требований для полного отражения лучей в оптическом волокне без потерь из-за преломления и выхода сигнала в оболочку:

• сердцевина оптического волокна должна иметь больший коэффициент преломления, чем материал, который окружает ее. Окружающий сердцевину материал называют оболочкой;
• угол падения световых лучей на границу между сердцевиной и оболочкой должен быть больше критического угла.

Оптические волокна, отвечающие первому условию (коэффициент преломления оболочки меньше, чем у сердцевины), очень просты в изготовлении. Можно контролировать угол падения световых лучей, вводимых в сердцевину. Угол падения ограничен двумя факторами:

• числовой апертурой волокна — набором углов падающих световых лучей, при которых будет наблюдаться эффект полного внутреннего отражения, как показано на рисунке 2;
• максимальным количеством путей (называемых модами), по которым световые лучи могут распространяться в оптических волокнах.

Рис. 2. Числовая апертура

Учитывая и контролируя оба указанных фактора, производители выпускают оптические волокна с полным внутренним отражением, которые могут быть использованы для передачи данных на большие расстояния (рисунок 3).