全内反射

全内反射，又称全反射(total internal reflection TIR)，是一种光学现象。当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于某一临界角θc（光线远离法线）时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质。

光学描述

如右图所示，光线从折射率较高的介质进入折射率较低的介质：

当 时，光线同时发生向介质中的折射，以及向介质中的反射（图一中红色光线所示）；

当入射角\u003e临界角时，向介质中折射的光线消失，所有光线向介质中反射（图一中蓝色光线所示）；

全内反射仅仅可能发生在当光线从较高折射率的介质（也称为光密介质）进入到较低折射率的介质（也称为光疏介质）的情况下，例如当光线从玻璃进入空气时会发生，但当光线从空气进入玻璃则不会。

临界角

临界角是折射角为90°的入射角。相对于在折射边界处来测量入射角（参见斯奈尔定律图）。考虑从玻璃进入空气的光线，从界面发出的光偏向玻璃板。当入射角度充分增加时，折射角（空气中）达到90度。入射角是由折射界面的法线量度。临界角（）可从以下方程序计算：

为了找到临界角，当 时，大家得到，因此。的结果值等于临界角。

现在，大家可以求解，得到临界角方程：

其中是较低密度介质的折射率，及是较高密度介质的折射率。这条方程式是一条斯涅尔定律的简单应用。当单射光线是准确的等于临界角，折射光线会循折射界面的切线进行。以可见光由玻璃进入空气（或真空）为例，临界角约为41.5°。

受抑

在正常条件下，衰逝波在界面上传输零能量。然而，如果具有较高折射率的第三介质放置在距离第一介质和第二介质之间的界面的距离不到几个波长内，则衰逝波将不同于普通波，它会将能量传递到第二种介质中。这个过程称为受抑全内反射（FTIR），与量子隧道非常相似。如果将电磁场认为是光子的波函数，量子隧道模型在数学上是类似的。低折射率介质可以被认为是光子可以穿透的势垒。

FTIR的透射系数对第三介质和第二介质之间的间距高度敏感（直到间隙几乎闭合为止，函数近似为指数），所以这种效应经常用于调制具有大动态的光学透射和反射范围。

相移

一个不太为人所知的全内反射的方面是反射光在反射和入射光之间有一个角度相变，即相移。在数学上，这意味着菲涅尔反射系数是复数而不是实数。这种相移是偏振相关的，并且随着入射角与临界角进一步偏离到掠入射角度而增长。

在隐矢波中

光线在界面处发生全内反射时，仍会向较低折射率的介质中投射一段很短的距离，大约是光波波长的数量级，一般在百纳米左右，被称为隐矢波或隐矢场。隐矢波的电磁场沿界面法线方向迅速衰减。

应用

（1）光导纤维就是利用了这一原理，由于反射时没有光线的损失，因此信号可以传输到极远的距离，广泛应用于内视镜及电信上。海市蜃楼亦是由此一原理所生成，光线从较密的介质（冷空气）进入到较疏的介质（近地面的热空气）。

（2）全内反射荧光显微镜利用了光线在全内反射时产生的隐矢波来激发距离界面很近（百纳米左右）的荧光分子并对其成像。这一技术相比传统的落射式荧光显微技术有更好的空间分辨能力，主要被应用于生命科学中细胞膜附近区域的成像研究。

（3）全内反射是汽车雨量传感器的工作原理，控制挡风玻璃雨刮器。

（4）全内反射的另一个应用是光的空间滤波。

（5）双目望远镜中的棱镜使用全内反射而不是反射涂层折叠光路并显示直立图像。

（6）一些多点触摸屏幕使用沮丧的全内部反射与相机和适当的软件相结合来拾取多个目标。

（7）前房角镜检查采用全内反射来观察眼睛角膜和虹膜之间形成的解剖角度。

（8）步态分析仪器使用受抑全内反射与高速摄像机结合捕获和分析实验室啮齿动物的足迹。

（9）光学指纹设备使用受抑全内反射，以便在不使用墨水的情况下记录人的指纹图像。

（10）全内反射荧光显微镜使用由TIR产生的衰逝波激发靠近表面的荧光团。这对于研究生物样品的表面性质是有用的。

举例

在游泳时当一个人在水面下睁开眼睛的时候，可以观察到全内反射。如果水是平静的，它的表面就像镜子一样。钻石的形状通常也是这样的，以最大化内部从钻石背面反射的光量。非常高的钻石折射率提供了一个小的临界角，所有进入钻石的光被反射回来，以优化钻石切割。

参考资料

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