全反射的应用及光纤结构

图12.6　光的全反射

如图12.6 所示，当光从光密介质入射到光疏介质时，即n1＞n2时，由折射定律可知，折射角r 大于入射角i.当入射角达到或超过某一角度iC时，折射光消失，入射光线全部返回光密介质，这种现象称为光的全反射.

iC称为全反射临界角，大小取决于光密介质和光疏介质的折射率之比，即

当光线由光疏介质射到光密介质时，因为折射角r 小于入射角i，即光线向靠近法线的方向折射，故此时不会发生全反射.所以产生全反射的条件是：①光必须由光密介质射向光疏介质；②入射角必须大于临界角.光密介质和光疏介质是相对的，两介质相比，折射率较小的，就为光疏介质，折射率较大的，就为光密介质.例如，水的折射率大于空气的折射率，所以相对空气而言，水就是光密介质；而玻璃的折射率比水的折射率大，所以相对于玻璃而言，水就是光疏介质.

光的全反射是光在介质中传播时的一种特殊现象，在生活中比较常见，海面上出现的上蜃景，夏日晴朗的午后远处路面出现的下蜃景（水面），阳光照耀下格外明亮的露珠等都是全反射现象。 在现实生活中，全反射有着广泛的应用，例如光纤.光纤是光导纤维的简称，是指能够传播光的圆柱形玻璃或塑料纤维，它是利用全反射现象而使光线沿着弯曲路径传播的光学元件.光纤的典型结构是多层同轴圆柱体，如图12.7 所示，自内向外为纤芯、包层和涂覆层.核心部分是纤芯和包层，在石英系光纤中，纤芯是由高纯度SiO2（石英玻璃）和少量掺杂剂构成，掺杂剂用来提高纤芯的折射率。 纤芯的直径一般为2～50 μm，实用的光纤是比人的头发丝稍粗的玻璃丝，是光波的主要传输通道；包层的折射率略小于纤芯.工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆。 光纤已广泛应用于通信、照明、医疗等领域.光纤照明是指利用光纤导体的传输，将光传导到指定的区域.光纤在医疗上的应用主要是利用光纤制成的内窥镜，可以帮助医生检查胃、食道、十二指肠等的疾病.光纤在通信领域的普遍应用使光纤通信成为现代通信主要支柱之一，光纤通信是利用光波作载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式.光纤以其传输频带宽、抗干扰性高、信号衰减小、资源丰富、安全性高等优点，而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中主要传输方式.正是由于光纤有着极为广泛的应用，因此，被誉为“光纤之父”的高锟获得了2009 年度的诺贝尔物理学奖.

全反射棱镜是全反射现象的另一个重要应用.如图12.8 所示，利用全反射棱镜来改变光的方向，比一般的平面镜能量损失要小很多（对玻璃棱镜来说约4%）.因为垂直入射时反射损失最小，因此光学仪器中常用全反射棱镜来改变光线的传播方向.图12.9 是利用全反射棱镜获取指纹图像的原理图.当手指按在斜边的反射面上时，指纹的突出部分与反射面接触而破坏了全反射条件，因此相应位置的反射光较弱，而指纹凹槽部分未与反射面接触，因此反射光较强.故摄像机可以清晰地记录反射面上明暗相间的指纹图像.(www.xing528.com)

另外，潜望镜、望远镜、汽车雨量传感器、汽车的“尾灯”、高精度的钻石切割等也都是利用全反射原理设计制造的.

图12.7　光纤结构示意图

图12.8　全反射棱镜图

图12.9　指纹获取原理