全反射

全反射（英语：Total Internal Reflection），又称全内反射，是一种光学现象。当光线经过两个不同折射率的介质时，部份的光线会于介质的界面被折射，其馀的则被反射。但是，当入射角比临界角大时（光线远离法线），光线会停止进入另一介面，全部向内面反射。

全反射。

与法线的角度越大，光线折射的部份则越少，直至当大于临界角时，全反射便会发生（图中光线的颜色只是作分别之用，并不表示不同颜色光线的光学情况。）

临界角

这只会发生在当光线从光密介质（较高折射率的介质）进入到光疏介质（较低折射率的介质），入射角大于临界角(critical angle)时。因为没有折射（折射光线消失）而都是反射，故称之为全反射。例如当光线从玻璃进入空气时会发生，但当光线从空气进入玻璃则不会。最常见的是沸腾的水中气泡显得十分明亮，就是因为发生了全反射。

克卜勒（Johannes Kepler，1571-1630）在西元1611年于他的著作《Dioptrice》中，已发表全反射的现象。

光学描述

如图一所示： 光线从折射率较高的 $n_{1}$ 介质进入折射率较低的 $n_{2}$ 介质： 当入射角 $\theta _{i}=\theta _{1}$ 即少于临界角 $\theta _{c}$ 时，光线同时发生趋离 $n_{2}$ 介质(normal)的折射，以及向 $n_{1}$ 介质的反射（图一中红色光线所示）； 当入射角 $\theta _{i}=\theta _{2}$ 即大于临界角 $\theta _{c}$时， $n_{2}$ 介折射的光线消失，所有光线向 $n_{1}$ 介质中(英语：normal)反射（图一中蓝色光线所示）； 全反射仅仅可能发生在当光线从较高折射率的介质（也称为光密介质）进入到较低折射率的介质（也称为光疏介质）的情况下，例如当光线从玻璃进入空气时会发生，但当光线从空气进入玻璃则不会。

$O_{1}\times \sin \alpha _{gr}=O_{2}\times \sin \beta$

例如：

• $O_{1}$为光纤核心折射率 (英语：refractive index) $\approx$ 1.5
• $O_{2}$ 为空气折射率 (英语：refractive index) = 1
• $\beta$ = $90^{\circ }$
• $\alpha _{gr}$=未知

${\displaystyle \arcsin }$$((1\times \sin 90^{\circ })/1.5)=\alpha _{gr}$

那么空气和光纤核心临界角( $\theta _{c}$)为 $\alpha _{gr}$

临界角

临界角（英语：Critical angle）是使得全反射发生的最少的入射角。入射角是从折射界面的法线量度计算的。临界角（$\theta _{c}$）可从以下方程式计算：

$\theta _{c}=\arcsin {\frac {n_{2}}{n_{1}}}$

其中$\!n_{2}$是较低密度介质的折射率，及$\!n_{1}$是较高密度介质的折射率。这条方程式是一条斯涅尔定律的简单应用，当中折射角为90°。 当入射光线是准确地等于临界角，折射光线会循折射界面的切线进行。以可见光由玻璃进入空气（或真空）为例，临界角约为48.7°。

以上公式只能计算无耗损介质间的全反射临界角。普适的全反射临界角公式是

$$\theta _{\mathrm {c} }=\arcsin \!\left({\frac {|{\hat {n}}_{2}|}{|{\hat {n}}_{1}|}}\right)\!=\arcsin \!\left({\frac {\sqrt {n_{2}^{2}+\kappa _{2}^{2}}}{\sqrt {n_{1}^{2}+\kappa _{1}^{2}}}}\right)\!.$$

${\hat {n}}=n+i\kappa$ 是复数折射率, $n$是折射率, $\kappa$ 是消光系数。

受抑全反射技术

如果，我们取两个密介质区域，中间夹著一薄层的疏介质，例如一层厚度与入射光波波长大小相当的空气薄层，让光束透过自密介质区射向空气层，则光会透过薄层，再进入对向的密介质区。这种入射角大于临界角 $\theta _{i}>\theta _{c}$，而又能超越障碍，透射到另一介质的现象，称为受抑全反射(Frustrated Total Reflection)。

这种现象的产生是由于当发生全反射时，电磁场并非完全没有进入疏介质；只是进入疏介质区域的电磁场强度以指数式衰减的形式消失。所以在全反射的状态之下，仍然有部分电磁场进入疏介质薄层后再进入对向的密介质区，只不过这种电磁波的强度会随著光波行进距离越远而很快耗损殆尽。

量子力学中的量子穿隧效应，实与此相当。

应用

绿海龟和它的全反射

光导纤维就是利用了全反射这一原理，由于反射时没有光线的损失，因此信号可以传输到极远的距离，广泛应用于内视镜及电信上。海市蜃楼亦是由此一原理所生成，光线从较密的介质（冷空气）进入到较疏的介质（近地面的热空气）。

参见

• 漫反射
• 斯涅尔定律（光的折射定律）
• 隐失波
• 折射
• 全外反射
• 光极化
• 古斯－汉欣位移
• 完美镜面
• 斯涅尔窗