Ολική ανάκλαση

Ολική ανάκλαση ή ολική εσωτερική ανάκλαση, ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο ένα διαδιδόμενο κύμα ανακλάται κατά 100% προσπίπτοντας σε επιφάνεια που χωρίζει δύο διαφανή οπτικά μέσα. Βασική συνθήκη για να παρατηρηθεί η ολική ανάκλαση είναι να έχουμε διάδοση από ένα μέσο σε ένα άλλο με μικρότερο δείκτη διάθλασης καθώς η γωνία πρόπτωσης, μετρούμενη από μία κάθετη στην επιφάνεια, να είναι μεγαλύτερη από την οριακή γωνία. Το παραπάνω φαινόμενο εκτός από την οπτική περιοχή, παρατηρείται σε όλα τα ηλεκτρομαγνητικά αλλά ακόμη και στα ηχητικά κύματα.

Κατά την διάδοση του φωτός από ένα οπτικά πυκνό μέσο με δείκτη διάθλασης ${\displaystyle n_{i}}$ σε ένα οπτικά αραιό με με δείκτη διάθλασης ${\displaystyle n_{t}}$ ${\displaystyle (n_{i}>n_{t})}$, η γωνία διάθλασης ${\displaystyle \theta _{t}}$ είναι σύμφωνα με τον νόμο του Σνελ μεγαλύτερη από την γωνία πρόσπτωσης ${\displaystyle \theta _{i}}$. Όταν η γωνία πρόσπτωσης αποκτήσει την οριακή ή κρίσιμη τιμή ${\displaystyle \theta _{c}}$, η διαθλώμενη ακτίνα διαδίδεται παράλληλα προς την διαχωριστική επιφάνεια, δηλαδή ${\displaystyle \theta _{t}=90^{\circ }}$. Για γωνίες πρόσπτωσης μεγαλύτερες της κρίσιμης ${\displaystyle \theta _{i}>\theta _{c}}$ έχουμε το φαινόμενο της ολικής ανάκλασης όπου όλη η ενέργεια ανακλάται από την διαχωριστική επιφάνεια.

• Αν ${\displaystyle \theta <\theta _{c}}$, ένα μέρος της ενέργειας ανακλάται και ένα μέρος διαθλάται.

• Αν ${\displaystyle \theta >\theta _{c}}$, όλη η ενέργεια ανακλάται. Αυτό ονομάζεται ολική εσωτερική ανάκλαση.

Στην παρακάτω εικόνα απεικονίζεται το παραπάνω φαινόμενο για αυξανόμενες γωνίες πρόσπτωσης.

Η οριακή γωνία μπορεί να υπολογιστεί από το νόμο του Snell, λύνοντας ως προς την γωνία πρόσπτωσης ${\displaystyle \theta _{i}}$:

${\displaystyle sin{\theta _{i}}={\frac {n_{2}}{n_{1}}}sin{\theta _{t}}}$

Για να βρούμε την κρίσιμη γωνία, θα υπολογίσουμε την γωνία ${\displaystyle \theta _{i}}$ όταν ${\displaystyle \theta _{t}=90^{\circ }}$, δηλαδή ${\displaystyle sin{\theta _{t}}=1}$

Η τιμή της ${\displaystyle \theta _{i}}$ που βρίσκουμε με αυτούς τους υπολογισμούς είναι η οριακή γωνία ${\displaystyle \theta _{c}}$.

Η ολική εσωτερική ανάκλαση μπορεί να παρατηρηθεί χρησιμοποιώντας ένα ημικυκλικό κομμάτι από γυαλί ή πλαστικό. Μια στενή δέσμη φωτός προσπίπτει πάνω στο γυαλί. Το ημικυκλικό σχήμα εξασφαλίζει ότι μια ακτίνα που κατευθύνεται στο κέντρο της κατασκευής δεν θα διαθλαστεί στην κύρτη διεπιφάνεια αέρα/γυαλιού λόγω της κάθετης πρόσπτωσης.

Το φαινόμενο της ολικής ανάκλασης βρίσκει εφαρμογή στις οπτικές ίνες και στα πρισματικά κάτοπτρα. Σε αυτό το φαινόμενο οφείλεται η ξεχωριστή λάμψη των διαμάντιων την καθώς το διαμάντι έχει έναν ασυνήθιστα υψηλό δείκτη διάθλασης άρα και μικρή οριακή γωνία.

Κάτω από ’’κανονικές συνθήκες’’, το αποσβενυόμενο κύμα δεν μεταδίδει ενέργεια στο δεύτερο μέσο (οπτικά αραιό μέσο). Ωστόσο, η παρουσία ενός επιπλέον μέσου ή σωματιδίου σε απόσταση συγκρίσιμη με το μήκος κύματος από την διεπιφάνεια διαταράσει το αποσβενυόμενο κύμα και επιτρέπει την μεταφορά ενέργειας. Αυτή η διαδικασία καλείται μειωμένη εσωτερική ολική ανάκλαση και είναι παρόμοια με το φαινόμενο της σήραγγας στην κβαντική μηχανική. Η αναλογία γίνεται κατανοητή αντιστοιχώντας το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο με την κυματοσυνάρτηση ενός σωματιδίου και οπτικά αραιό μέσο το φράγμα δυναμικού, μέσω του οποίου τα σωματίδια μπορούν να διέλθουν.

Ο συντελεστής διαπερατότητας για τη μειωμένη ολική εσωτερική ανάκλαση, εξαρτάται ισχυρά από την απόσταση μεταξύ του τρίτου και του δεύτερου μέσου.

Η ολική εσωτερική ανάκλαση μπορεί να παρατηρηθεί ενώ κολυμπάμε, όταν κάποιος ανοίγει τα μάτια του ακριβώς κάτω από την επιφάνεια του νερού κοιτάζοντας πρός τα πάνω. Αν το νερό είναι ήρεμο, η επιφάνειά του φαίνεται σαν ένας καθρέφτης μέσω του οποίου μπορούμε να παρατηρήσουμε τον βυθό.

Ένα άλλο παράδειγμα ολικής ανάκλασης είναι η μεταλλική λάμψη που παρατηρούμε στις φυσαλίδες σε ένα αναψυκτικό στην μπύρα. Εξαιτίας της ολικής ανάκλασης (εξωτερικά υγρό με μεγαλύτερο δείκτη διάθλασης από το αέριο στο εσωτερικό) οι φυσαλίδες συμπεριφέρονται ως τέλεια σφαιρικά κάτοπτρα.

Ένα ακόμη κοινό παράδειγμα η λαμπερή εμφάνιση του διαμαντιού. Το κόψιμο του διαμαντιού είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε το ολικά ανακλώμενο φως να του δίνει τη μέγιστη λάμψη και στιλπνότητα.

• FTIR Touch Sensing
• Multi-Touch Interaction Research
• Georgia State University
• Total Internal Reflection by Michael Schreiber, Wolfram Demonstrations Project
• Total Internal Reflection – St. Mary's Physics Online Notes
• Bowley, Roger (2009). «Total Internal Reflection». Sixty Symbols. Brady Haran for the University of Nottingham.