五、全反射

全反射 不同介质的折射率不同，我们把折射率小的介质叫做光疏介质，折射率大的介质叫做光密介质。光疏介质和光密介质是相对的，例如水、水晶和金刚石三种物质相比较，水晶对水来说是光密介质，对金刚石来说是光疏介质。根据折射定律可知，光线由光疏介质射入光密介质时（例如由空气射入水），折射角小于入射角；光线由光密介质射入光疏介质时

（例如由水射入空气），折射角大于入射角。

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既然光线由光密介质射入光疏介质时，折射角大于入射角，由此可以预料，当入射角增大到一定程度时，折射角就会增大到 90°。如果入射角再增大，会出现什么情况呢？

让光线沿着半圆形玻璃砖的半径射到直边上，可以看到一部分光线从玻璃砖的直边上折射到空气中，一部分光线反射回玻璃砖内（图 1-16）。逐渐增大入射角，会看到折射光线离法线越来越远，而且越来越弱，反射光线却越来越强。当入射角增大到某一角度，使折射角达到 90°时，折射光线完全消失，只剩下反射光线。这种现象叫做全反射。

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折射角等于 90°时的入射角，叫做临界角。当光线从光密介质射到它与光疏介质的界面上时，如果入射角等于或大于临界角，就发生全反射现象。

怎样求出光从折射率为 n 的某种介质射到空气（或真空）时的临界角C 呢？由于临界角 C 是折射角等于 90°时的入射角，根据折射定律可得

sin90° =

sin C

因而 sin C = 1 .

sinC

= n,

从折射率表中查出物质的折射率，就可以用上式求出光从这种介质射到空气（或真空）时的临界角。水的临界角为 48.7°，各种玻璃的临界角为 32°～42°，金刚石的临界角为 24.5°。

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全反射现象是自然界里常见的现象。例如，水中或玻璃中的气泡，看起来特别明亮，就是因为光线从水或玻璃射向气泡时，一部分光在界面上发生了全反射的缘故。

光导纤维 全反射现象的一个重要应用是用光导纤维来传送各种信号。为了说明光导纤维对光的传导作用，我们做下面的实验。照图 1-17 那样，在不透光的暗盒里安装一个电灯泡作光源，把一根弯曲的细玻璃棒

（或有机玻璃棒）插进盒子里，让棒的一端面向光源，玻璃棒的下端就有明亮的光传出来。这是因为从玻璃棒的上端射进棒内的光线，在棒的内壁多次发生全反射，沿着锯齿形路线由棒的下端传了出来，玻璃棒就像一个能传光的管子一样。

实际用的光导纤维是非常细的特制玻璃丝，直径只有几微米到 100 微米左右，而且是由内芯和外套两层组成的，光线在内芯与外套的界面上发生全反射（图 1-18）。如果把光导纤维聚集成束，使其两端纤维排列的相

对位置相同，这样的纤维束就可以传送图像，如图 1-19 所示。医学上用光导纤维制成纤维镜（图 1-20），把探头送到人的食道、胃或十二指肠中去，光线通过传光束照明这些器官的内壁，再通过传像束把内部的病变情况传到目镜，进行观察。

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图 1-19 用绗纤维束传送图像

光导纤维在现代科学技术中有重要的应用。就像无线电技术中把信号调制到无线电波上一样，把要传送的信号调制到光波上，让光载着信号沿光导纤维传送出去，就可以实现光纤通讯。光纤通讯能够同时传送大量信号，对信息的传输能力很大，这是它的突出优点。采用光纤通讯将会引起通讯技术的重大变革。光纤通讯在一些先进国家已进入实用阶段。我国的光纤通讯近十几年来也得到了很大的发展，自 80 年代初到现在已先后开通了数十条光纤通讯线路，光纤产业已初具规模，光纤应用正处于高速发展阶段。

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