2) оптически более плотной среды в оптически менее плотную (+)
3) среды в среду с одинаковыми оптическими плотностями
4) вакуума в среду
Полное внутреннее отражение возникает на границе двух прозрачных сред при распространении света из среды с большим показателем преломления n1 в среду с меньшим показателем n2. При этом преломлённый луч отклоняется от нормали; по мере увеличения угла падения он приближается к границе раздела. При угле падения, превышающем критический, преломлённый луч не выходит во вторую среду, а световая энергия отражается обратно в исходную среду.
Критический угол определяется соотношением sin θкр = n2/n1, поэтому он существует только при n1 > n2. При угле, равном критическому, преломлённый луч распространяется вдоль границы раздела, а при большем угле возникает полное внутреннее отражение. В оптически более плотной среде показатель преломления выше, поскольку скорость распространения света в ней ниже; именно поэтому переход из неё в оптически менее плотную среду соответствует отмеченному условию.
Явление лежит в основе работы волоконно-оптических систем, применяемых в эндоскопии, лазерной медицине, оптической дозиметрии и передаче сигналов в медицинской аппаратуре. Сердцевина световода имеет больший показатель преломления, чем оболочка, благодаря чему луч многократно отражается внутри сердцевины и распространяется на значительное расстояние с небольшими потерями. В отличие от обычного отражения, при полном внутреннем отражении идеальная граница возвращает практически всю падающую световую энергию, хотя в реальных материалах сохраняются потери на поглощение и рассеяние.
| Условие на границе | Критический угол | Ход светового луча | Результат | Пример применения или ситуации |
|---|---|---|---|---|
| n1 > n2, угол падения меньше критического | Существует | Часть энергии отражается, часть преломляется во вторую среду | Обычное отражение и преломление | Распространение света из стекла в воздух при небольшом угле падения |
| n1 > n2, угол падения равен критическому | θ = θкр | Преломлённый луч идёт вдоль границы раздела | Переходный режим перед полным отражением | Расчёт предельного угла для оптического волокна |
| n1 > n2, угол падения больше критического | θ > θкр | Преломлённый луч отсутствует в дальней зоне; формируется затухающая эванесцентная волна | Полное внутреннее отражение | Передача света по сердцевине оптического световода |
| n1 < n2 | Не определяется | Свет преломляется в среду с большим показателем, отклоняясь к нормали | Полное внутреннее отражение невозможно | Переход из воздуха в стекло или биологическую ткань |
| n1 = n2 | Не определяется | Направление распространения практически не изменяется | Нет условий для полного внутреннего отражения | Согласованные оптические среды или иммерсионный контакт |
| Стекло → воздух | Около 42° для n ≈ 1,5 | При больших углах луч отражается внутри стекла | Типичный пример явления | Призмы, оптические элементы, волоконная оптика |
| Сердцевина световода → оболочка | Зависит от разности показателей преломления | Луч многократно отражается от границы сердцевины и оболочки | Удержание оптического сигнала внутри волокна | Эндоскопы, лазерные катетеры, системы оптического мониторинга |
Для решения задач необходимо сначала определить направление перехода и сравнить показатели преломления двух сред. Затем оценивают угол падения относительно нормали к поверхности, поскольку именно он определяет достижение критического режима. Переход из вакуума в вещество не сопровождается полным внутренним отражением, так как показатель преломления вакуума ниже показателя преломления любой обычной прозрачной среды. Практическое значение явления состоит в эффективном управлении световым потоком внутри медицинских оптических систем.