Sự Phản xạ Toàn phần (Total Internal Reflection)

Điều kiện xảy ra phản xạ toàn phần:

• Tia sáng phải truyền từ môi trường có chiết suất cao ($n_1$) sang môi trường có chiết suất thấp ($n_2$). Tức là $n_1 > n_2$.
• Góc tới ($i$) phải lớn hơn hoặc bằng góc tới hạn ($i_{gh}$). Góc tới hạn được xác định bởi định luật Snell: $\sin(i_{gh}) = \frac{n_2}{n_1}$.

Góc tới hạn ($i_{gh}$)

Góc tới hạn là góc tới nhỏ nhất mà tại đó tia sáng bắt đầu bị phản xạ toàn phần. Nó được tính theo công thức:

$\sin(i_{gh}) = \frac{n_2}{n_1}$

Các trường hợp xảy ra:

• Nếu góc tới $i < i_{gh}$, tia sáng sẽ bị khúc xạ theo định luật Snell: $n_1 \sin(i) = n_2 \sin(r)$, trong đó $r$ là góc khúc xạ.
• Nếu góc tới $i = i_{gh}$, tia sáng khúc xạ sẽ đi dọc theo mặt phân cách hai môi trường ($r = 90^\circ$).
• Nếu góc tới $i > i_{gh}$, tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần trở lại môi trường thứ nhất.

Ứng dụng của phản xạ toàn phần

Hiện tượng phản xạ toàn phần có nhiều ứng dụng quan trọng trong cuộc sống và khoa học kỹ thuật, bao gồm:

• Cáp quang: Sợi cáp quang sử dụng phản xạ toàn phần để truyền tín hiệu ánh sáng đi xa với tốc độ cao và ít bị suy hao. Ánh sáng bị phản xạ toàn phần bên trong lõi sợi quang, giúp nó truyền đi mà không bị mất năng lượng ra môi trường xung quanh.
• Lăng kính phản xạ toàn phần: Lăng kính này được sử dụng trong các dụng cụ quang học như ống nhòm, kính tiềm vọng để thay đổi hướng của tia sáng.
• Kim cương: Độ sáng lấp lánh của kim cương một phần là do hiện tượng phản xạ toàn phần. Chiết suất của kim cương rất cao, dẫn đến góc tới hạn nhỏ. Ánh sáng đi vào kim cương dễ dàng bị phản xạ toàn phần nhiều lần bên trong viên kim cương trước khi thoát ra, tạo nên vẻ lấp lánh đặc trưng.
• Y học: Nội soi sử dụng phản xạ toàn phần để quan sát bên trong cơ thể người.
• Cảm biến quang: Một số loại cảm biến quang hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ toàn phần để phát hiện sự thay đổi chiết suất của môi trường.

Ví dụ

Nước có chiết suất $n_1 \approx 1.33$ và không khí có chiết suất $n_2 \approx 1$. Góc tới hạn khi ánh sáng đi từ nước ra không khí là:

$\sin(i_{gh}) = \frac{1}{1.33} \approx 0.7518$

$i_{gh} \approx arc\sin(0.7518) \approx 48.8^\circ$

Vậy nếu góc tới của tia sáng từ nước ra không khí lớn hơn $48.8^\circ$, tia sáng sẽ bị phản xạ toàn phần trở lại nước.

Sự suy giảm năng lượng trong phản xạ toàn phần

Mặc dù được gọi là “phản xạ toàn phần,” nhưng thực tế một phần rất nhỏ năng lượng của tia sáng vẫn có thể bị suy giảm. Điều này xảy ra do hiện tượng sóng suy giảm (evanescent wave). Sóng suy giảm là một trường điện từ tồn tại ở môi trường thứ hai (môi trường chiết suất thấp), ngay sát mặt phân cách. Mặc dù sóng này không lan truyền như một sóng thông thường, nó mang một phần năng lượng của tia sáng. Năng lượng của sóng suy giảm giảm theo hàm mũ theo khoảng cách tính từ mặt phân cách. Nếu đặt một vật thể khác có chiết suất cao gần mặt phân cách, một phần năng lượng của sóng suy giảm có thể được ghép nối vào vật thể đó, làm giảm năng lượng của tia sáng phản xạ. Hiện tượng này được gọi là phản xạ toàn phần suy giảm (frustrated total internal reflection – FTIR).

So sánh phản xạ toàn phần và phản xạ thông thường

Phản xạ toàn phần trong tự nhiên

Hiện tượng phản xạ toàn phần cũng có thể được quan sát thấy trong tự nhiên. Ví dụ, ảo ảnh trên sa mạc (mirage) là do phản xạ toàn phần của ánh sáng trên lớp không khí nóng gần mặt đất. Ánh sáng từ bầu trời bị phản xạ toàn phần trên lớp không khí này, tạo ra ảo giác về một mặt nước trên sa mạc.

• Hecht, E. (2017). Optics. Pearson Education.
• Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2018). Fundamentals of Physics. John Wiley & Sons.
• Pedrotti, F. L., Pedrotti, L. M., & Pedrotti, L. S. (2017). Introduction to Optics. Pearson Education.

Câu hỏi và Giải đáp

Câu 1: Tại sao hiện tượng phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi ánh sáng đi từ môi trường chiết suất cao sang môi trường chiết suất thấp?

Trả lời: Khi ánh sáng đi từ môi trường chiết suất cao sang môi trường chiết suất thấp, góc khúc xạ lớn hơn góc tới. Khi góc tới tăng dần, góc khúc xạ cũng tăng và đến một giá trị nhất định (góc tới hạn), góc khúc xạ đạt 90 độ. Nếu góc tới tiếp tục tăng, tia sáng không thể khúc xạ sang môi trường thứ hai nữa mà bị phản xạ hoàn toàn trở lại môi trường thứ nhất. Điều này không thể xảy ra khi ánh sáng đi từ môi trường chiết suất thấp sang môi trường chiết suất cao, vì góc khúc xạ luôn nhỏ hơn góc tới.

Câu 2: Sóng suy giảm có vai trò gì trong việc truyền năng lượng trong cáp quang?

Trả lời: Mặc dù cáp quang sử dụng phản xạ toàn phần để giữ ánh sáng bên trong lõi, sóng suy giảm vẫn tồn tại bên ngoài lõi. Nếu các sợi cáp quang được đặt quá gần nhau, sóng suy giảm của sợi này có thể chồng lấn lên lõi của sợi khác, gây ra hiện tượng crosstalk (nhiễu xuyên âm), làm giảm chất lượng tín hiệu. Do đó, việc kiểm soát sóng suy giảm là quan trọng trong thiết kế cáp quang.

Câu 3: Làm thế nào để tính toán lượng năng lượng bị mất đi do sóng suy giảm trong phản xạ toàn phần?

Trả lời: Việc tính toán lượng năng lượng mất đi do sóng suy giảm khá phức tạp, liên quan đến các phương trình Maxwell và các điều kiện biên. Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chiết suất của hai môi trường, góc tới, bước sóng ánh sáng, và khoảng cách giữa mặt phân cách và vật thể gần đó (nếu có). Thông thường, người ta sử dụng các phương pháp số hoặc các công cụ mô phỏng để tính toán chính xác.

Câu 4: Ngoài cáp quang và lăng kính, còn ứng dụng nào khác của phản xạ toàn phần trong đời sống?

Trả lời: Phản xạ toàn phần còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác, ví dụ như: kính hiển vi phản xạ toàn phần (TIRF microscopy) để quan sát các bề mặt; cảm biến vân tay quang học sử dụng frustrated TIR để phát hiện vân tay; một số loại màn hình hiển thị; và trong một số thiết bị đo lường quang học.

Câu 5: Nếu $n_1 = 1.5$ và $n_2 = 1$, góc tới hạn là bao nhiêu?

Trả lời: Áp dụng công thức $\sin(i_c) = \frac{n_2}{n_1}$, ta có $\sin(i_c) = \frac{1}{1.5} \approx 0.667$. Do đó, $i_c = arc\sin(0.667) \approx 41.8^\circ$. Vậy góc tới hạn trong trường hợp này là khoảng $41.8^\circ$.