Явище повного внутрішнього відбивання

Коли світло поширюється з оптично більш густого середовища в менш густе, то на межі їхнього поділу відбувається перерозподіл світлових потоків у залежності від кута падіння. Розглянемо окремі випадки (рис.2). Якщо кут падіння дорівнює нулю, то світловий промінь (1) без заломлення проходить з одного середовища в інше. Для деякого кута падіння світловий промінь на межі поділу двох середовищ поділяється на відбитий (2) та заломлений (3). Для будь-якої пари прозорих середовищ завжди існує певний кут падіння при якому кут заломлення досягає максимального значення й заломлений промінь (4) ковзає по межі поділу двох середовищ.

З математичного запису закону заломлення (формула (4)) випливає, що при > кут φ>α. При зростанні абсолютного значення кута падіння, зростає і кут заломлення, досягаючи при деякому значенні α_гр величини 90^о. Тобто, промінь після падіння на поверхню розділу середовищ буде поширюватися по дотичній до поверхні в точці падіння.

При φ=90° і тоді:

(5)

Подальше збільшення кута падіння призведе до відбивання променя за законом відбивання.

Рис.2. Хід світлових променів з більш оптично густого середовище у менш оптично густе

Описане явище називають повним внутрішнім відбиванням, а кут α_гр, що визначається рівністю (5), – граничним кутом повного внутрішнього відбивання.

Наприклад, для п₁ =1,5183 (скло марки К8) і п₂ =1 (повітря) граничний кут повного внутрішнього відбивання α_гр≈41^о12'.

В наш час явище повного внутрішнього відбивання широко використовується в різноманітних оптичних пристроях та компонентах. Зокрема, на цьому явищі працюють призми повного внутрішнього відбивання (рис.3), які дозволяють повертати промені на 90⁰ або 180⁰. Такі призми застосовуються в оптичних приладах (наприклад, в біноклях, перископах). Показник заломлення скла зазвичай більший 1.5, тому граничний кут повного внутрішнього відбивання для межі скло—повітря рівний . Тому при падінні світла на межу скло—повітря при кутах більших за 42° завжди матиме місце повне внутрішнє відбивання.

Рис.3. Призми повного внутрішнього відбивання

На рис. 3 показані призми повного внутрішнього відбивання, які дозволяють повернути промінь на 90° (а), повернути зображення (б), обернути промені (в).

Такі призми застосовуються у оптичних приладах (наприклад, в біноклях, перископах), а також в рефрактометрах, які дозволяють визначати показники заломлення оптичних середовищ.

Рис.4. Будова оптичного волокна

Повне внутрішнє відбивання використовують також у волоконній оптиці. Це явище зумовило революцію в передаванні інформації, широко використовується в медицині. Cвітловоди – це тонкі нитки (волокна) з оптично прозорого матеріалу. В волоконних деталях світловодів використовують скловолокно, світловедуча жила (серцевина) якого оточена іншим склом (оболонкою) з меншим показником заломлення (рис.4).

Світло, яке потрапляє в світловод під кутами падіння, що перевищують граничний кут , зазнає на межі розділу серцевина–оболонка повне внутрішнє відбивання і поширюються лише по серцевині. (рис. 5). Це явище дає змогу передавати оптичні сигнали на сотні, а то і тисячі кілометрів без проміжкового підсилення.

Рис. 5. Поширення світла у волоконному світловоді

Питання передавання світлових зображень по оптичному волокну вивчаються в спеціальному розділі оптики – волоконна оптика.

Дата добавления: 2014-01-11