よくあるご質問

【屈折と全反射】

[スネルの法則] (Snell’s law)
オランダの天文学者ヴィレブロルト・スネル（Willebrord Snell）によって１６２１年に発見されました。
境界面が光学的な平面で2 種類の均質で等方的な物質に光が入射したとき、境界面で屈折が生じます。

屈折率がそれぞれn0, n1 の二つの物質の間での光の屈折は、つぎの式で示されます。
n0 sinφ0 = n1 sinφ1

屈折形レンズはこの原理を利用して、光を集光しています。屈折形の単レンズでは媒質の１つは
屈折率が1.4～1.8 程度のガラス、もう１つの媒質は屈折率1.0 の空気になります。

a) 入射角φ0 が比較的小さい状態で媒質n0 から媒質n1 に入射した光は、n1 の媒質中では
スネルの法則を満足するφ1 の角度で屈折されます。また一部の光は反射されます。

b) 次に、境界面の入射角をしだいに増してゆき、(b)図のように光の入射角度φ0 がある値φCに
近づくに従って、屈折した光が二つの媒質の境界面に近づき、φCに一致すると境界面に沿って
光が伝播します。この時の入射角度φ0=φCを臨界角(Critical angle)といい、スネルの法則
ではsinφ1=1 となります。

c) さらに(c)図のように臨界角以上に傾いた入射光はスネルの法則においてsinφ1 の値が1 以上
になりφ1 が架空の値となります。すなわちφ0＞φCの場合には屈折がなくなり反射のみが
起こることになります。この反射を全反射(Total reflection)と呼びます。

この全反射の現象を幾何学的に考えてみると、全反射した光のエネルギーは入射した時の
エネルギー量に厳密に等しいはずであり、臨界角以上の角度で入射した光束で低屈折率物質への
エネルギーの逃げは全くないといえます。この原理を利用したものが光ファイバです。