全内反射

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在物理学中，全内反射被认为是与光线相关的完全反射。反射光线需要特定的介质，例如玻璃或水。光线从周围表面反射回介质。当入射角较大时，会形成一个特定的临界角。这个临界角称为临界角。闪闪发光的钻石和海市蜃楼是全内反射的现实例子。

什么是全内反射？

当光线从光密介质传播到光疏介质时，就会发生全内反射。这些介质的密度是根据光学视角来识别的。

图 1：全内反射

当光线从介质 1 传播到介质 2 时，密度发生变化，结果光线发生折射。这里认为介质 1 的密度比另一个介质大。这里可以看到折射光线比正常情况弯曲得更多。在特定的入射角下，入射光的折射角与表面的角度一致。这个特定角度称为临界角（Zhu、Walsh 和 Semperlotti，2018）。如果折射角的值大于 90 度，则折射角会返回到介质中，这种现象就是全内反射。

全内反射的条件

全内反射（TIR）发生的两个最重要的条件。第一个条件是确保光线从光密介质传播到光疏介质（Goodling 等人，2019）。第二个条件是确保入射角的值大于临界角的值。这两个条件都必须满足才能使 TIR 正确发挥作用。例如，如果光线从空气传播到水中，则不会发生 TIR，因为在这种情况下，光线是从光疏介质传播到光密介质。

TIR 的公式

TIR 的值是使用一个重要的公式提取的。基于斯涅耳定律，这个方程得到了发展。

$\mathrm{\frac{n_1}{n_2} = \frac{sinr}{sini}}$

在上面给出的 TIR 公式中，r 表示折射角。入射角的值用 i 表示。反射光线的选定介质 1 的折射率用 n₁ 表示。光线传播到的介质 2 的折射率用 n₂ 表示。临界角的值在这个方程中用符号 θ 表示。临界角的值是使用以下公式提取的 -

TIR 的例子

TIR 的第一个例子可以通过观察鱼或驾驶员的眼睛以及视觉显示方法来呈现。例如，当鱼向上看时，它可以看到天空。

在观察较大角度的情况下，鱼可以在水面上看到池底的反射（Villanueva 等人，2018）。

在此期间，鱼向上看天空，然后找到池底反射的垂直临界角等于临界角 θ。因此，临界角的值可以通过以下公式计算，“θ_c = sin^-1 (1.00/1.33)”。这个方程的结果是 48.80。在这个公式中，水的折射率表示为 1.33，而空气的折射率几乎为 1。

图 2：鱼眼视角

第二个例子，可以提到在重要的界面处发生的内反射。当在特定界面处发生 TIR 时，该界面充当完美的反射器（Tinnemann 等人，2019）。

在双筒望远镜的机制中，也使用了此过程。在双筒望远镜中，使用 45⁰ 的冕玻璃棱镜代替镜子。这有助于反射双筒望远镜中的光线（Usik 等人，2019）。棱镜两侧的所有角度都是 45⁰。这个角度大于冕玻璃的临界角值，即 41⁰。

图 3：双筒望远镜中棱镜的排列

TIR 的应用

在几乎所有光纤领域，都广泛使用全内反射。在电信系统中，使用 TIR。在汽车雨水传感器的创建和开发中，使用了这种现象（Sun 等人，2018）。在创建挡风玻璃雨刷时，也发现了 TIR 的广泛使用。TIR 的另一个重要应用是在制备光学指纹识别设备中。

结论

TIR 使光能够在玻璃纤维内传输。通常发现光线从纤维侧面反射，并始终遵循一条路径。在某些时候，借助玻璃纤维，光可以绕过拐角传输。由于纤维的弯曲不尖锐，因此发现光以大于临界角的角度照射。

常见问题

Q1. 当临界角和入射角的值相等时会发生什么？

在某个时候，临界角和入射角的值相等。结果，发现折射角为 90 度。

Q2. 钻石反射的原因是什么？

反射、色散和折射这三件事是钻石闪耀的原因。当光线照射到钻石表面并反射回来时，就会发生反射。

Q3. 谁首先提出了 TIR 的概念？

德国数学家约翰内斯·开普勒首先提出了 TIR 的概念。之后，Willebrord 是另一位在该领域做出不可忽视贡献的人。

Q4. TIR 最重要的条件是什么？

光必须从光疏介质传播到比第一个介质更光密的介质。在 TIR 的任何时候都需要遵循此条件。