通识物理：实现光的全反射

光在传播过程中遇到两种透明媒介的界面，可能会同时发生反射和折射现象。但实际上，即便是透明媒介的界面，也可能不发生折射而是全部反射，也就是“全反射”现象。1880年，著名科学家贝尔在实验室中发现了一个有趣的现象，他发现光线能够沿着泻出的弧形水柱传播，且光的传播途径能够随着水柱的曲度而变弯，这个现象就是光的“全反射”。

全反射的物理定义是：“光线从光密媒介射到光疏媒介的界面时，比如从玻璃或者水中射到空气中时，将被全部反射回原媒介的现象。”如图11.10 中的虚线所示，根据光的折射定律，如果光从水或玻璃中射向空气，光路将向下偏向密度较大的媒介，光路的折射角也将大于入射角。这时，如果我们调整光路（如旋转箭头所示），使光的入射角逐渐增大到某一特定值时，折射光线将会消失（如实线所示）。因为在这种情况下，光的折射角总是先于入射角增大到90°，而达到90°则意味着光不能再折射到另一种媒介。当这种情况出现时，就意味着即便媒介是透明的，光也将从界面全部反射回原媒介。所以，光线从光密媒介（光速慢、光折射率大）中以超过某临界角度射向光疏媒介（光速快、光折射率小），这既是全反射产生的条件，也是贝尔的实验中水柱能够锁住光线的秘密。

图11.10　光的全反射的基本原理(www.xing528.com)

由于光是一种具有极高频率的电磁波，每秒可以振动一千万亿次，因此光波非常适合携带信息，传送庞大的数据资料。根据水柱导光现象，人们开始思考：既然水柱能够引导光束，那么，和水一样都是光密媒介，且具有更高透明度的玻璃是否也有全反射现象呢？对于这个问题，我们可以通过一个实验来验证一下（请参见本书配套慕课视频）。首先，我们需要打开一支绿色（便于观察）激光笔，将一束绿色的激光斜向投射到墙壁上。然后，我们将一根玻璃棒的一端靠近激光笔，可以看到：斜向投射到墙上的激光斑点消失了，反而是玻璃棒的另一端出现了强烈的绿色斑点；在适当的范围晃动玻璃棒，激光的绿色斑点也会随之晃动。这个实验说明：激光是沿着玻璃棒传播的，所以玻璃也具有对光进行全反射的能力。

根据玻璃的全反射特性，细小的玻璃丝就可能成为高速、便捷、成本低廉、信号损失很小的长距离光信息传递介质，这种细丝就是我们熟知的“光纤”。目前，通信用光纤的基本原料主要是廉价的石英玻璃，科学家将它们熔化后拉成直径只有几微米到几十微米的细丝，大概相当于人类头发直径的十分之一，这就构成了全反射的光密媒介部分，也就是光纤的芯（纤芯）。由于空气不稳定且折射率并不足够小，所以并不适合用作全反射的光疏媒介（也就是玻璃丝的外层）。对此，科学家通常会在纤芯外再包上一层折射率比空气小得多（光传播速度较大的光束媒介）的特殊材料，称为包层。这样一来，光就可以在纤芯和包层之间的界面上发生全反射，从而实现光信息的高速、远程传输。光纤诞生后最早被应用在医学诊断领域，由于光纤很细、很软并可以弯曲成任意形状，利用它能探入人体内部进行观察，这就是“光纤内视镜”。利用光纤技术，医生在不需要手术的情况下就可以直接、清楚地了解病人体内的状况，现在甚至还可以进行内视镜微创手术。目前，光纤已被广泛应用在互联网领域，并支持诸如通信、金融、娱乐、医疗等丰富的应用，正是光纤为目前繁荣的互联网应用的发展铺平了道路，如今光纤和全反射仍然在飞速地影响和改变着我们的世界。

值得一提的是：出生于上海的英籍华人科学家高锟博士，在1966 年就针对光纤通信的前景发表了具有重大历史意义的论文，同时该论文还分析了过去光纤传输损耗较大的关键原因，使许多科学家在备受鼓舞的同时也看清了改性研究方向。终于，在高锟的启发下，世界上第一根具有实用意义的光纤在1970年诞生于美国康宁玻璃公司，其每千米的传输损耗仅有20 dB，这个结果意味着光纤通信终于有了实现的可能。而高锟则由于其在光学通信领域中有关“光的传输的开创性成就”而获得2009年的诺贝尔物理学奖，并由此被人们称为“光纤之父”。高锟是历史上首位以应用物理学研究荣获诺贝尔物理学奖的科学家，当殊荣在论文发表的43 年后姗姗来迟时，当年那位青年才俊已经是轻度阿尔茨海默病缠身的七旬老人。2000 年高锟与邓小平一起被《亚洲新闻周刊》评选为“20世纪亚洲风云人物”，当时《亚洲新闻周刊》给予高锟的评语是“醉心研究，淡泊名利”。