الانعكاس الداخلي الكلي

التاريخ

لاحظ القدماء هذه الظاهرة: عند النظر من تحت الماء قد يبدو السطح كالمرآة. أسس ابن الهيثم علم البصريات في القرن الحادي عشر، ثم وصف كبلر الظاهرة رياضياً عام 1611، واكتشف سنيل قانون الانكسار، ما أتاح حساب الزاوية الحرجة.

كيف يعمل

يسير الضوء بسرعة مختلفة في الأوساط المختلفة — توصف بقرينة الانكسار. على الحد بين وسط «بطيء» و«سريع» ينحني الشعاع. إذا كانت زاوية السقوط كبيرة جدًا، يصبح الانحناء شديدًا لدرجة أن الضوء لا يخرج، بل ينعكس. يحدث هذا فقط عند الانتقال من وسط بصري أكثر كثافة إلى أقل كثافة.

التاريخ

لاحظ القدماء هذه الظاهرة: عند النظر من تحت الماء قد يبدو السطح كالمرآة. أسس ابن الهيثم علم البصريات في القرن الحادي عشر، ثم وصف كبلر الظاهرة رياضياً عام 1611، واكتشف سنيل قانون الانكسار، ما أتاح حساب الزاوية الحرجة.

كيف يعمل

يسير الضوء بسرعة مختلفة في الأوساط المختلفة — توصف بقرينة الانكسار. على الحد بين وسط «بطيء» و«سريع» ينحني الشعاع. إذا كانت زاوية السقوط كبيرة جدًا، يصبح الانحناء شديدًا لدرجة أن الضوء لا يخرج، بل ينعكس. يحدث هذا فقط عند الانتقال من وسط بصري أكثر كثافة إلى أقل كثافة.

التاريخ

قدم كبلر أول وصف للانعكاس الداخلي الكلي في كتابه «ديوبتريكا» (1611). في 1621 اكتشف سنيل تجريبياً قانون الانكسار الذي تُشتق منه مباشرة الزاوية الحرجة. في عشرينيات القرن التاسع عشر طور فرينل النظرية متضمنة الموجات المتلاشية. في 1854 عرض تيندال ألياف الضوء بنفث الماء — النموذج الأولي للألياف البصرية. والتطبيق العملي للألياف البصرية بدأ في ستينيات القرن العشرين.

كيف يعمل

شرط الانعكاس الداخلي الكلي: n₁ > n₂ وزاوية السقوط θ₁ > θ_c. حفظ المركبة المماسية لمتجه الموجة يعطي k_x = (n₁ ω/c) sin θ₁. عندما θ₁ > θ_c، تتجاوز قيمة k_x n₂ ω/c، لذا تصبح المركبة العمودية k_z₂ تخيلية: k_z₂ = iκ. يضمحل الحقل أسياً: exp(−κ z)، وعمق الاختراق δ = 1/κ = λ₀/(2π n₁ √(sin²θ₁ − (n₂/n₁)²)). الموجة المتلاشية تنقل الطاقة بمحاذاة السطح، لا إلى العمق. انزياح الطور عند الانعكاس يختلف للاستقطابين s و p. الانعكاس الداخلي الكلي المعطل يشبه النفق الكمومي: عند تقريب منشورين لمسافة بحدود δ، يخترق الضوء جزئياً إلى المنشور الثاني.

مسائل مفتوحة وحقائق طريفة

تقليل الضياع في الألياف البصرية للاتصالات بعيدة المدى; تطوير أدلة موجية للإلكترونيات الضوئية المتكاملة; رفع كفاءة المستشعرات المعتمدة على الانعكاس الداخلي الكلي المعطل; التأثيرات الكمومية عند الترابط المتلاشي مع بواعث مفردة; مواد بامتصاص منخفض قياسي لمجال الأشعة تحت الحمراء المتوسطة

💡 في الانعكاس الداخلي الكلي المعطل، تنفق الفوتونات عبر فجوة ضيقة، مما يشكل نظيرًا بصريًا مباشرًا لتأثير النفق الكمومي. يمكن تنفيذ هذه التجربة بمنشورين ومؤشر ليزر.