полное внутреннее отражение

История

Явление замечали с древности: при взгляде из-под воды поверхность может казаться зеркальной. В 1611 году Кеплер впервые описал его математически, а позже Снеллиус открыл закон преломления, позволяющий вычислить критический угол.

Как работает

Свет движется с разной скоростью в разных средах — это описывается показателем преломления. На границе «медленной» и «быстрой» среды луч изгибается. Если угол падения слишком велик, изгиб становится настолько сильным, что свет не выходит, а возвращается. Такое случается лишь при переходе из более плотной оптически среды в менее плотную.

История

Явление замечали с древности: при взгляде из-под воды поверхность может казаться зеркальной. В 1611 году Кеплер впервые описал его математически, а позже Снеллиус открыл закон преломления, позволяющий вычислить критический угол.

Как работает

Свет движется с разной скоростью в разных средах — это описывается показателем преломления. На границе «медленной» и «быстрой» среды луч изгибается. Если угол падения слишком велик, изгиб становится настолько сильным, что свет не выходит, а возвращается. Такое случается лишь при переходе из более плотной оптически среды в менее плотную.

История

Первое описание полного внутреннего отражения дал Кеплер в «Диоптрике» (1611). В 1621 году Снеллиус открыл закон преломления, из которого напрямую выводится критический угол. В 1820-х Френель разработал теорию, включая эванесцентные волны. В 1854 году Тиндаль продемонстрировал световод на водяной струе — прообраз оптоволокна. В 1960-х началось практическое применение волоконной оптики.

Как работает

Условие ПВО: n₁ > n₂ и угол падения θ₁ > θ_c. Сохранение касательной компоненты волнового вектора даёт k_x = (n₁ ω/c) sin θ₁. При θ₁ > θ_c значение k_x превышает n₂ ω/c, поэтому нормальная компонента k_z₂ становится мнимой: k_z₂ = iκ. Поле экспоненциально затухает: exp(−κ z), глубина проникновения δ = 1/κ = λ₀/(2π n₁ √(sin²θ₁ − (n₂/n₁)²)). Эванесцентная волна переносит энергию вдоль границы, но не в объём. Фазовый сдвиг при отражении различен для s- и p-поляризаций. Нарушенное ПВО аналогично квантовому туннелированию: при сближении двух призм на расстояние порядка δ свет частично проникает во вторую.

Открытые проблемы и интересные факты

Снижение потерь в оптоволокне для сверхдальней связи; Разработка волноводов для интегральной фотоники; Повышение эффективности сенсоров на основе НПВО; Квантовые эффекты при эванесцентной связи с одиночными излучателями; Материалы с рекордно низким поглощением для среднего ИК-диапазона

💡 В нарушенном полном внутреннем отражении фотоны туннелируют через узкий зазор, что является прямым оптическим аналогом квантовомеханического туннельного эффекта. Этот эксперимент может быть выполнен с двумя призмами и лазерной указкой.