1、全反射现象及其讨论摘要：全反射现象是一种常见的现象，在现代社会中具有广泛的应用，本文将系统的阐释全反射现象的物理解释，详细的介绍全反射现象的成因、特点、应用等方面内容，并进一步提出其在未来社会中的应用趋势问题。关键词：全反射 透射深度 蜃景 倏逝波 光导纤维一、生活中的全反射电磁波在两种介质分界面传播时，会发生折射和反射现象。在特殊情况下，电磁波从折射率大的入射到折射率小的介质中，入射角大于某一临界角时，会发生全部能量被反射回原介质中的现象，此时只有反射波，没有折射波，即发生全反射现象。在平时生活中，我们会遇见很多全反射现象，其中主要是光的全反射，人们最熟知的即蜃景的产生。蜃景是一种奇幻的自然
2、现象，在中国古代传说和书籍中便有相应的记载，如史记天宫书 。蜃景多发生于海上和沙漠中，分别称为“海市蜃楼”和“沙漠幻景” ，但在柏油马路和山中偶尔也能看见。根据蜃景出现的位置相对于原物的方位大致分为上蜃、下蜃以及侧蜃等，根据它与原物的对称关系，可以分为正蜃、侧蜃、顺蜃和反蜃；根据颜色可以分为彩色蜃景和非彩色蜃景等等，蜃景具有在同一地方同一时间重复出现的特点。二、物理解释一束单色平面波,，传播到两种不同介质分界面时，假设反射、折射电磁波都是平面电磁波，且界面无穷大，则应有如下表达式： ()0()()0ikxtitikxtEe其中如右图所示， 、 、 分别E表示入射波、反射波、折射波，波矢量分量间
3、的关系： xxxyyykk对于任意入射的电磁波，可将其分解为垂直分量和水平分量，现在分别考虑。根据反射定律和折射定律，易得 ， ， ，当电sinxksinxksinxk磁波垂直入射面传播时， ，根据麦克斯韦边值关系有：|,(0)E()nH EEEkkknzyx则得到： HHEcoscoscos考虑公式 ， 以及近似条件 ，根据反射折射定律得到1B021 1212coscsin()osi()cscsE 再考虑电磁波平行入射，得到 2112osos()cc2cosinin()()ososEtg 通过以上两组菲涅尔公式可以看出，反射波、折射波与入射波的能量比值与入射角有关，而当电磁波从折射率大的介质
4、入射到折射率小的介质时，即 ，根据折12)1(n射定律1sin221极限状态 ，此时折射波沿界面传播，特别是当 时，折射定律失去 21sin意义，这是只能观察到反射波而没有折射波，即发生全反射。下面分别考虑折射波和反射波。1）对于反射波，在全反射的情况下，易得如下结论：垂直入射时 2212 12coscsosiniE e水平入射时 2221 1cosinnEie 其中 221sincotg由上述分析知, 全反射时, 反射波与入射波的振幅相等,即它们的平均能流密度相等, 但由于有位相的变化, 说明它们的瞬时值不等, 即能量并非不透过界面. 2）根据以上结论知，发生全反射时仍有折射波存在。发生全反
5、射时，不管入射角有多大，边值关系均成立，故 。因为 ， 则sinxk1kv21212v得到 2221sinsinzxkkki根据上述公式可以看出，发生全反射时，折射波沿 x 轴传播，其电场强度沿 z 轴正向并作指数衰减，只存在于界面附近一个层面，有一定的透射厚度，与波长同量级，被称为透射深度，表示为 2122121 sinsink 由电磁场量间的关系 0()HE对于透射波，将 E,H 个分量展开，可求得瞬逝透射场的平均能流,易得结论：透射波的平均能流密度值只有 x 分量，而沿 Z 方向的分量为零，但是能流密度的瞬时值并不为零, 而是在界面层内来回振荡,因此在该介质中，虽有透射场的存在，但不能形
6、成折射光束，入射波的能量全部返回至原介质中。三、全反射的应用在现代社会中，全反射现象应用广泛，如全反射棱镜、折射计、光导纤维传光，又如自 行 车 的 尾 灯 ， 医 院 里 的 内 窥 镜 ， 潜 望 镜 以 及 望 远 镜 等等，全反射被运用于生活生产实际的各个方面，包括通讯、医疗等。现在就几点进行深入分析。3.1光导纤维光导纤维是一种透明的玻璃纤维丝，由石英、玻璃或特制塑料制 成 ， 直径只 有1100 m左 右 ， 比头发还纤细。它由芯线和包层组成，内芯的折射率大于包层折射率，光线的入射角大于临界角时, 光在芯线和包层界面上不断发生全反射, 光从一端传输到另一端，几乎没有能量损失，在医学
7、、工业、通信领域有着广泛的应用。目前光导纤维大量应用于通信领域，在通信领域，光纤传输是一种运用广泛的有效传输方式。利用光导纤维传播信息，具有很多优点：传播信息的频带宽，通信容量大；能抗电磁干扰，保密性强；重量轻，体积小，能够节省大量的有色金属铜铝等，成本低。除了应用于光纤通信，光导纤维还大量应用于临床医学工作，最常见的有内窥镜。内窥镜主要由镜头、光缆、冷光源、摄像机、监视器五个部分组成，其核心即光导纤维。医用内窥镜主要包括胃镜、肠镜、腹腔镜等，使用时将各种镜头送到人的各个部位，通过传输光束照明器官内壁，检查疾病，还可以利用光纤传送激光，通过产生高温帮助治疗。内窥镜的使用能使机体内部的病变情况直
8、观的反映出来，帮助医生对病情做出正确判断，同时可以减轻病患的痛苦。3.2全反射X 荧光分析技术全反射X 荧光分析技术（TXRF） ，是一种新兴的元素分析方法。原理如下：当光线的入射角大于临界角时，入射光线几乎全被反射，而当入射角小的光波则基本被吸收或散射。根据相关公式知，低能入射波的临界角大于高能入射波的临界角，因此可以通过调节光波的入射角，将高于某一能量的入射光波吸收或散射掉，低能的光波被反射。这样，只有符合全反射条件的第一级全反射面和样品所产生的荧光才能被探测器记录，以此达到元素分析的目的。TXRF 技术与其他方法相比, 在主要性能指标如探测领、测量精度和经济性上都有着明显的综合优势，如灵
9、敏度高，能同时对含量纵跨六个数量级的二三十种元素进行同时测量，用样品量极少, 可消除基体增强和减弱效应。3.3全内反射荧光显微术（TIRFM）全内反射荧光显微术兴起近几年，是近场光学在生命科学领域的另一种具体应用。TIRFM技术利用的是倏逝波的照明，倏逝波只能照射距离盖玻片上表面约100 nm 的深度,因此其它区域的荧光分子将不会被激发,是界面处荧光分子的良好光源;信噪比得到得高。目前,TIRFM 的实现形式大致有两种:棱镜式和物镜式。两种形式的显微镜各有优缺点,对于棱镜式而言,实现起来相对简单,但物镜工作距离较短很难结合其它成像技术一起探测;物镜式可以克服以上缺点,但需要调试激光入射位置、斜
10、入射的角度达到全内反射的要求来实现倏逝波的照明。利用TIRFM能够观测到很多生物现象，以优异的高信噪比、快速、无损伤地观察特点使其独立于其它任何一类成像仪器,但由于是用倏逝波来照明,所以它并不能用来观察细胞或培养液深层的单分子分布和运动,因此将TIRFM 与其它显微系统联合使用将给单分子探测技术的发展带来更大的推动。四、总结随着科学技术的提高，全反射的应用越来越广泛，但是就目前而言，其应用更多的是利用其反射时无能量损耗的现象，而全反射中的倏逝波的存在并没有得到足够的重视，在未来发展中，在对全反射进行深层次研究的基础上，将会开辟光学应用的新领域。五、参考文献1. 郭硕鸿1 电动力学M.北京:高等
11、教育出版社.2.桑田.关于全反射现象的探讨J.黔南民族师范学院学报，2003,3.3.胡三珍.全反射和倏逝波J.华中师范大学学报，1996，30（2）.4.胡诚.全反射现象物理机制的微观分析J.哈尔滨师范大学自然科学学报，1999,15（3）.5.温华惟.对菲涅尔公式应用的研究和探讨J.辽宁师专学报，2004,6（1）.6.方哲宇，刘丹，王笑等.近场光学显微技术的进展及其应用J.电子显微学报，2008，27（1）.7.田宇，刘恺，邬旭然等.基于全反射原理的X荧光分析技术及其应用研究J.光谱学与光谱分析，1999,19（3）.8.殷运丽.光的全反射现象在临床工作中的应用J.实用医技杂志，2005,12（12）.
