Основные определения
Внешнее отражение: отражение, происходящее на границе раздела сред, когда лучи света проходят из менее плотной среды в более плотную.
Пример: лучи света, проходящие из воздуха (n≈1,0) в стекло (n≈1,5). Это наиболее распространенный тип отражения, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни.

Внутреннее отражение: отражение, происходящее на границе раздела сред, когда свет проходит из более плотной среды в менее плотную.
Пример: свет, проходящий из стекла (n≈1,5) в воздух (n≈1,0). Это явление лежит в основе работы оптических устройств, таких как волоконная оптика и призмы.

Характеристики	внешнее отражение	внутреннее отражение
Условия показателя преломления	n_i < n_tni<nt	n_i > n_tni>nt
Фазовое изменение	Существуют полуволновые потери	Без потерь в полуволновой цепи
критический угол	не существует	Существование
отражательная способность	постепенно увеличивается с увеличением угла падения	Ниже критического угла он ведет себя аналогично внешнему отражению; при критическом угле происходит резкое изменение
Распределение энергии	Отраженный свет и преломленный свет всегда сосуществуют одновременно	Существует два сценария: частичное отражение и полное внутреннее отражение
Общие области применения	Плоские зеркала, отражения на водной поверхности	Теоретические основы оптических волокон, призм полного внутреннего отражения и антибликовых покрытий

1. Сдвиг фазы (полуволновая потеря)
Это является наиболее фундаментальным физическим различием между двумя явлениями.
Внешнее отражение: когда свет распространяется из оптически разреженной среды в оптически плотную среду, отраженный свет претерпевает сдвиг фазы на 180°, который обычно называют «полуволновой потерей». Это равносильно добавлению половины длины волны (λ/2) к длине оптического пути отраженного света.
Внутреннее отражение: при внутреннем отражении отраженный свет не претерпевает полуволновой потери.

Почему это важно? В явлениях интерференции тонких пленок, таких как антибликовые покрытия, антибликовые пленки и кольца Ньютона, полуволновые потери определяют, приведет ли интерференция к конструктивной или деструктивной интерференции.

2. Критический угол и полное внутреннее отражение
Это наиболее характерная и важная особенность внутреннего отражения.
Внешнее отражение: поскольку преломленный свет всегда попадает во вторую среду, критический угол отсутствует.
Внутреннее отражение:
Когда угол падения < критического угла: как и при обычном отражении, существуют как отраженный, так и преломленный свет. Это называется частичным внутренним отражением.
Когда угол падения ≥ критического угла: преломленный свет исчезает, и весь падающий свет отражается обратно в первую среду. Это называется полным внутренним отражением.

Формула расчета критического угла:



Здесь ni обозначает показатель преломления оптически плотной среды, а nt — показатель преломления оптически разреженной среды.

Внешнее отражение (красная линия): при углах падения ниже примерно 50° коэффициент отражения очень низкий (около 4%), после чего он постепенно растет и достигает 100% при 90°.
Внутреннее отражение (синяя линия): до критического угла (примерно 41°) его поведение почти идентично внешнему отражению. Однако при достижении критического угла коэффициент отражения мгновенно скачет до 100% и остается постоянным в дальнейшем, что прекрасно демонстрирует явление полного внутреннего отражения.
Внешнее отражение встречается повсеместно, но оно неэффективно (если только угол падения не очень велик). Зеркала используют металлическое отражение, а не принцип внешнего отражения.

Внутреннее отражение, особенно полное внутреннее отражение, представляет собой высокоэффективный оптический процесс с незначительной потерей энергии. Оно является основой современных оптических коммуникаций (оптического волокна) и лежит в основе функционирования многих оптических приборов, таких как призмы полного внутреннего отражения в биноклях. По сути, внешнее отражение представляет собой «стандартный режим», тогда как внутреннее отражение обладает замечательной способностью достигать «идеального отражения» под определенными углами.

NEXT : Сферические линзы из плавленого кварца