Полное внутреннее отражение характерно для границ раздела между двумя диэлектрическими средами с разными показателями преломления. Это явление было открыто Иоганном Кеплером в начале XVII в. (Kepler, 1611). Кеплер пытался объяснить кажущееся искривление предметов, частично погруженных в воду. Он обнаружил, что для лучей, падающих на границу раздела двух сред под углами, близкими к нормальному, отношение углов падения к углам преломления пропорционально отношению показателей преломления двух сред:
где 01 и 02 — углы падения и преломления лучей, измеренные относительно нормали к поверхности раздела. Между 1621 г. и 1625 г.
Рис. 10.4. Отраженный и преломленный лучи света на границе раздела двух Сред с показателями преломления т и пг. Здесь ni > щ
Корнелиус Виллеборд Снелль сформулировал закон Снеллиуса:
Из сравнения выражений (10.7) и (10.8) становится очевидным, что закон Кеплера является аппроксимацией закона Снеллиуса для малых углов. На рис. 10.4 показаны углы, используемые в законе Снеллиуса.
Кеплер также обнаружил, что для некоторых пар материалов в сравнительно узком диапазоне углов падения углы преломления могут превышать 90°. Это явление получило название полного внутреннего отражения. Из закона Снеллиуса и условия 02 = 90° можно вывести выражение для угла полного внутреннего отражения:
Поскольку отношение показателей преломления в правой части уравнения (10.9) должно быть
Рис. 10.5. Исторический рисунок (а) и схема установки швейцарского инженера Даниеля Колладона, построенной в 1841 п для показа того, как на основе принципа полного внутреннего отражения можно освещать струю воды (б); световые фонтаны в Лас Вегасе, штат Невада (в); оптические волокна (г) , (TheFreeDictionary.com, 2005)
В полупроводниковых излучающих устройствах явление полного внутреннего отражения затрудняет выход света из полупроводникового кристалла, что в ряде случаев может быть очень серьезной проблемой. Поскольку полупроводниковые материалы обладают высокими показателями преломления, ~ 2,0-3,5, их критические углы полного внутреннего отражения довольно малы. Эта проблема стоит очень серьезно для арсенидов и фосфидов III группы с показателями преломления около 3,0 и менее остро для нитридов III группы с показателями преломления около 2,0. Явление полного внутреннего отражения практически не касается органических светодиодов, поскольку органические материалы обладают сравнительно низкими показателями преломления.
Уникальная особенность явления полного внутреннего отражения — коэффициент отражения Д = I. Поэтому отражатели на основе этого явления обладают нулевыми потерями. Их используют в основном в лазерах — полосковых (Smithetal., 1993) и на базе микродисков (McCalletal., 1992), выполняемых на основе резонаторов с высокой добротностью.
Источник:
Шуберт Ф. Светодиоды / Пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. — 2-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 496 с. – ISBN 978-5-9221-0851-5.