全內反射

全內反射，又稱全反射（total internal reflection，TIR），是一種光學現象。當光線從較高折射率的介質進入到較低折射率的介質時，如果入射角大於某一臨界角θc（光線遠離法線）時，折射光線將會消失，所有的入射光線將被反射而不進入低折射率的介質。 ^[1] 

如圖一所示，光線從折射率較高的n₁介質進入折射率較低的n₂介質。

當入射角θ_1c時，光線同時發生向n₂介質中的折射，以及向n₁介質中的反射（圖一中紅色光線所示）；

當入射角θ₂>臨界角θ_c時，向n₂介質中折射的光線消失，所有光線向n₁介質中反射（圖一中藍色光線所示）；

全內反射僅僅可能發生在當光線從較高折射率的介質（也稱為光密介質）進入到較低折射率的介質（也稱為光疏介質）的情況下，例如當光線從玻璃進入空氣時會發生，但當光線從空氣進入玻璃則不會。

臨界角是折射角為90°的入射角。 相對於在折射邊界處來測量入射角（參見斯奈爾定律圖）。考慮從玻璃進入空氣的光線，從界面發出的光偏向玻璃板。 當入射角度充分增加時，折射角（空氣中）達到90°。入射角是由折射界面的法線量度。臨界角θ_c可利用折射定律

進行求解。

為了找到臨界角，當

時，我們得到

，因此

。

的結果值等於臨界角

。

現在，我們可以求解

，得到臨界角方程：

其中，n₂是較低密度介質的折射率，及n₁是較高密度介質的折射率。這個公式是斯涅爾定律的一個簡單應用。當入射光線是準確的等於臨界角，折射光線會循折射界面的切線進行。以可見光由玻璃進入空氣（或真空）為例，臨界角約為41.5°。

在正常條件下，衰逝波在界面上傳輸零能量。 然而，如果具有較高折射率的第三介質放置在距離第一介質和第二介質之間的界面的距離不到幾個波長內，則衰逝波將不同於普通波， 它會將能量傳遞到第二種介質中。這個過程稱為受抑全內反射（FTIR），與量子隧道非常相似。 如果將電磁場認為是光子的波函數，量子隧道模型在數學上是類似的。低折射率介質可以被認為是光子可以穿透的勢壘。

FTIR的透射係數對第三介質和第二介質之間的間距高度敏感（直到間隙幾乎閉合為止，函數近似為指數），所以這種效應經常用於調製具有大動態的光學透射和反射範圍。

一個不太為人所知的全內反射的方面是反射光在反射和入射光之間有一個角度相變，即相移。 在數學上，這意味着菲涅爾反射係數是複數，而不是實數。這種相移是偏振相關的，並且隨着入射角與臨界角進一步偏離到掠入射角度而增長。

光線在界面處發生全內反射時，仍會向較低折射率的介質中投射一段很短的距離，大約是光波波長的數量級，一般在百納米左右，被稱為隱矢波或隱矢場。隱矢波的電磁場沿界面法線方向迅速衰減。

（1）光導纖維就是利用了這一原理，由於反射時沒有光線的損失，因此信號可以傳輸到極遠的距離，廣泛應用於內視鏡及電信上。海市蜃樓亦是由此一原理所生成，光線從較密的介質（冷空氣）進入到較疏的介質（近地面的熱空氣）。

（2）全內反射熒光顯微鏡利用了光線在全內反射時產生的隱矢波來激發距離界面很近（百納米左右）的熒光分子並對其成像。這一技術相比傳統的落射式熒光顯微技術有更好的空間分辨能力，主要被應用於生命科學中細胞膜附近區域的成像研究。 ^[2] 

（3）全內反射是汽車雨量傳感器的工作原理，控制擋風玻璃雨刮器。

（4）全內反射的另一個應用是光的空間濾波。

（5）雙筒望遠鏡中的稜鏡使用全內反射而不是反射塗層摺疊光路並顯示直立圖像。

（6）一些多點觸摸屏幕使用全內部反射與相機和適當的軟件相結合來拾取多個目標。

（7）前房角鏡檢查採用全內反射來觀察眼睛角膜和虹膜之間形成的解剖角度。

（8）步態分析儀器使用受抑全內反射與高速攝像機結合捕獲和分析實驗室齧齒動物的足跡。

（9）光學指紋設備使用受抑全內反射，以便在不使用墨水的情況下記錄人的指紋圖像。

（10）全內反射熒光顯微鏡使用由TIR產生的衰逝波激發靠近表面的熒光團。 這對於研究生物樣品的表面性質是有用的。

在游泳時當一個人在水面下睜開眼睛的時候，可以觀察到全內反射。如果水是平靜的，它的表面就像鏡子一樣。鑽石的形狀通常也是這樣的，以最大化內部從鑽石背面反射的光量。非常高的鑽石折射率提供了一個小的臨界角，所有進入鑽石的光被反射回來，以優化鑽石切割。 ^[3]