全内部反射 | 定義と応用

全反射の原理

全反射（Total Internal Reflection、TIR）は、光のような電磁波が、高い屈折率（n₁）を持つ媒体から低い屈折率（n₂）を持つ媒体へ、特定の臨界角（θ_c）よりも大きな入射角で移動するときに発生する現象です。これらの条件下では、波は高屈折率媒体に完全に反射され、低屈折率媒体への伝播は発生しません。

臨界角（θ_c）はスネルの法則を用いて決定できます。これは二つの媒体の屈折率と入射角（θ₁）、屈折角（θ₂）との関係を示します：

n₁ * sin(θ₁) = n₂ * sin(θ₂)

全反射が起こるためには、屈折角が90度でなければなりません：

n₁ * sin(θ_c) = n₂ * sin(90°)

臨界角を解くと、以下のようになります：

θ_c = arcsin(n₂ / n₁)

全反射は、波が高屈折率媒体から低屈折率媒体へ移動するときにのみ可能です。

全反射は、光ファイバー、プリズム、水中イメージング、レーザー共振器など、さまざまな応用において重要な原理です。これらの応用は、光の効率的な伝播や操作に依存する光学システムやデバイスの設計において、全反射の理解が不可欠であることを示しています。