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什么是全内反射（Total Internal Reflection）或TIR？

发布时间：2023-06-14 08:00:00 阅读数： 754

当光线从密度大的介质中进入稀少的介质时，它就会偏离正常路径而发生弯曲。随着在密度大的介质中入射角的增加，在稀疏介质中的折射角也增加。在一个特定的入射角，折射角变成90°。然后，折射的光线在两种介质的界面上擦过表面。这个入射角被称为临界角（θc）。

当入射角超过临界角时，光线就会按照反射规律反射回密度大的介质。这种现象被称为全内反射（TIR）。在光学中，当光线穿过全反射的玻璃棱镜、海市蜃楼、光纤等时，通常会观察到这种现象。

全内反射的必要条件：

光线必须从密度大的介质进入密度小的介质。
入射角（θi）必须大于临界角（θc）。
两种介质的折射率必须有明显差异。
介质之间的界面，发生从一种介质到另一种介质的转变。
临界角和折射率之间的关系

折射率和临界角之间的关系是由斯奈尔定律给出的。任何介质的折射率都与临界角的正弦成倒数。

n - 折射率

θc - 临界角

临界角的正弦值取决于波长，由公式给出

由于材料的折射率降低，临界角随着温度的升高而增加。随着介质温度的上升，光在其中传播的速度通常会增加。这导致折射率降低。
全内反射的例子

棱镜
直角等腰三角形玻璃棱镜是一种全反射棱镜，用于改变光的路径而不损失光能。当光线垂直入射在棱镜上时，它被完全反射。光线在棱镜的一个面上形成45度角，这大于玻璃的临界角，即42度。

海市蜃楼
海市蜃楼是一种在沙漠或金属道路上看到的光学幻觉。它发生在光线从远处的树顶出发，被折射，从而偏离了正常范围。在一个特定的层，当θi>θc时，光线被完全反射，看起来是倒立的图像。这就造成了这样一种印象，即这样一个遥远的物体就在水岸上。

光纤中的全内反射
光纤是一种灵活、透明的材料，用于传输光线。它由两个主要部分组成，核心区和包层区，其中核心区的折射率n1高于包层区的折射率n2。

光线在光纤中的空气-芯材界面发生第一次折射。知道这个折射发生的角度很重要，因为它决定了接下来的内部反射是否会遵循全内反射的原则。

并非所有进入光纤芯的光线都会沿着其长度继续传播。接受角，θa是入射在纤芯上的光线与光纤轴线的最大角度，在这个角度上传播。

θi = θa：任何以一个角度（θa）进入光纤的光线都会在空气-纤芯界面发生折射，并被传送到纤芯-包层界面。入射光线以临界角撞击芯包层界面，并通过界面。
θi > θa：如果入射光线以大于θa的角度进入光纤，它以小于临界角的角度撞击芯包界面。这些光线将被折射到包层中，并最终损失为辐射。
θi < θa：只有角度小于接受角的光线以大于核心区域临界角的角度撞击核心-包层界面。这些光线沿着光纤经历了反复的全内反射。
入射到纤芯上的光线必须在接受锥内，这是一个半垂直角度的锥体，由θa定义，以通过纤芯包覆界面沿光纤传播。

数值孔径（N.A.）衡量光纤捕获光线的能力。光纤接受角度的正弦值是N.A。