Zastosowanie odbicia wewnętrznego.

Właściwości swiatla bialego i dlugosci wszystkich jego fal

Odbicie całkowite wewnętrzne, odbicie światła zachodzące na granicy dwóch ośrodków przezroczystych charakteryzujących się współczynnikami załamania n1 i n2, n1>n2. Zjawisko obserwuje się w ośrodku o większym współczynniku załamania.Polega ono na odbiciu światła zachodzącym bez strat energii, nie towarzyszy mu załamanie światła. Obserwuje się go, gdy kąt padania (tj. kąt zawarty pomiędzy normalną do powierzchni a kierunkiem promienia światła) jest większy od tzw. kąta granicznego całkowitego odbicia wewnętrznego. Wartość tego kąta wyraża się wzorem:
γ=arcsin(n2/n1).

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia jest podstawą działania światłowodu, wykorzystywane jest w wielu przyrządach optycznych, m.in. w niektórych konstrukcjach refraktometrów, pryzmatach całkowitego odbicia itp.

Światłowód, falowód służący do przesyłania promieniowania świetlnego. Pierwotnie miał postać metalowych rurek o wypolerowanych ściankach, służących do przesyłania promieniowania podczerwonego. Obecnie w formie włókien dielektrycznych - najczęściej szklanych, z otuliną z tworzywa sztucznego, charakteryzującego się mniejszym współczynnikiem załamania światła niż wartość tego współczynnika dla szkła. Promień światła rozchodzi się w światłowodzie po drodze będącej łamaną, tzn. ulegając kolejnym odbiciom (w przypadku światłowodu z włókien są to odbicia całkowite wewnętrzne).

Zastosowanie zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia

Całkowite wewnętrzne odbicie różni się od "zwykłego" odbicia np. od zwierciadła, w którym pewna część światła jest pomijana. Ze względu na brak jakichkolwiek strat energii przy całkowitym wewnętrznym odbiciu zjawisko to ma szerokie zastosowanie praktyczne.

Światłowody (promień uwięziony): medycyna, telefonia.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia znalazło zastosowanie w światłowodach - są to cienkie elastyczne włókna wykonane ze szkła kwarcowego lub plastiku. Światłowody przenoszą światło z jednego miejsca do drugiego w wyniku szeregu odbić promienia świetlnego od wewnętrznych ścianek - promień ten biegnie wzdłuż załamań i skrętów włókna. Przekrój kabla światłodowego i zasadę działania światłowodu przedstawia rysunek:

Światłowody są używane w ozdobnych lampkach stołowych oraz do wyświetlania informacji na desce rozdzielczej samochodu przy użyciu tylko jednej żarówki.

Światło w światłowodach przewodzone jest w górę dzięki kolejnym odbiciom cieplnym i dopiero na szczycie wydostaje się na zewnątrz.

Ważnym zastosowaniem optyki światłowodowej są endoskopy - urządzenia pozwalające bezoperacyjnie oglądać narządy wewnętrzne człowieka (np. płuca, przewód pokarmowy, żołądek) oraz większe naczynia krwionośne. Część włókien endoskopu służy do oświetlenia pola widzenia, a reszta do obserwacji (światło po odbiciu wraca innym światłowodem). Aby obraz nie był zdeformowany włókna w endoskopach nie mogą się przeplatać.

Dentyści używają światłowodów w lampach, które służą do oświetlania najbardziej ukrytych miejsc w jamie ustnej.

Światłowody są niezwykle ważne także w telekomunikacji. Światło, mimo wielokrotnych odbić może pokonać wielkie odległości, nawet po bardzo krętych drogach, bez zmiany natężenia. Światłowody wypierają więc grube, masywne i drogie przewody miedziane np. z powodu mniejszych strat informacji w trakcie przesyłania danych. Wszystko wskazuje na to, że przyszłość telefonii i telekomunikacji, zwłaszcza jeżeli chodzi o transfer ogromnych ilości danych, należeć będzie do światłowodów. Dodatkowym atutem światłowodów jest też to, że światło ze względu na bardzo małą długość fali (czyli dużą częstotliwość - wyższą niż częstotliwość prądu elektrycznego) może być nośnikiem ogromnej ilości informacji. Ponadto w przeciwieństwie do prądu elektrycznego światło nie jest wrażliwe na temperaturę czy zmiany pola magnetycznego.

Dzięki temu sygnały świetlne nie ulegają zakłóceniom, nie można ich też podsłuchiwać.
• Iluminacja fontann, świecąca struga wody
• Urządzenia optyczne, w których najczęściej stosowane są pryzmaty prostokątne równoramienne do zmiany biegu promieni (lornetka, refraktometr).
• Światła odblaskowe.

Wadą ich jest niewielki zakres kątów, w których spełniają swe zadanie (węższy niż dla światełek o takim samym kształcie lecz wysrebrzonej powierzchni). Obecnie coraz częściej zastępuje się więc światełka paskami malowanymi farbą zawierającą w sobie maleńkie kulki szklane - odblask tych pasków jest wynikiem całkowitego wewnętrznego odbicia wewnątrz kulek.
• Jubilerstwo.

Całkowite wewnętrzne odbicie wykorzystywane jest przy szlifowaniu szlachetnych kamieni np. diamentów. Wyszlifowany diament (brylant), jest obrabiany w ten sposób, aby w kamieniu całkowicie załamywało się 80% promieni. Promienie padające od wewnątrz pod kątami większymi od kąta granicznego (ok. 24,5 – zależnie od barwy światła) ulegają całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i wychodzą (po załamaniu) na zewnątrz. Stąd mieniący się blask brylantu.

Bieg promieni świetlnych w diamencie.
• W stanie naturalnym.

Zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia występuje u niedźwiedzi polarnych. Włosy na ich futrze są dla światła przezroczyste. Ich biel pochodzi stąd, że światło odbija się od szorstkiej powierzchni, która pokrywa wnętrze zagłębienia przy każdym włosku. Włosy te wyłapują dodatkowo promieniowanie nadfioletowe, które jest następnie przenoszone do skóry, podobnie jak w światłowodzie. Skóra bardzo skuteczni wchłania wszelkie rodzaje energii słonecznej i jest czarna. Niedźwiedź polarny jest więc jednocześnie biały i czarny, a do tego zawsze ciepły.

Także wiele zjawisk występujących w przyrodzie tłumaczymy całkowitym odbiciem światła. Przykładem może być tu: fatamorgana (miraż), połysk gorącej szosy (tzw. szosowa fatamorgana).

Prawdziwa fatamorgana, czyli złudne widoki oaz na pustyni - często odwrócone do góry nogami - powstają w wyniku wytworzenia nad piaskiem warstwy powietrza o zwiększonej gęstości, która jak światłowód prowadzi promienie świetlne wzdłuż powierzchni ziemi pokonując nierówności terenu.(wymaga ono jednak bezwietrznej pogody i szybkich zmian temperatur).

Fatamorgana szosowa to złudzenie, polegające na obserwacji na jezdni „kałuży”, w której odbija się samochód, krajobraz. Zjawiska te są skutkiem całkowitego wewnętrznego odbicia światła od cienkiej warstewki rozgrzanego powietrza, tuż nad rozgrzaną powierzchnią szosy.