全反射とその応用

🧠 全反射total internal reflection (TIR) 全反射（total internal reflection (TIR)）total internal reflection (TIR)（全反射） は、高屈折率 refractive index 屈折率（refractive index） refractive index（屈折率） 媒質から低屈折率 refractive index 屈折率（refractive index） refractive index（屈折率） 媒質へ向かう光が臨界角 critical angle 臨界角（critical angle） critical angle（臨界角） を超えると、理想的な非吸収 non-absorbable 非吸収（non-absorbable） non-absorbable（非吸収） 境界では伝搬する屈折光が消失して反射する現象である。 境界外の低屈折率 refractive index 屈折率（refractive index） refractive index（屈折率） 側にはエバネッセント場 evanescent field エバネッセント場（evanescent field） evanescent field（エバネッセント場） が残る。

全反射の成立条件

スネルの法則Snell's law スネルの法則（Snell's law）Snell's law（スネルの法則） （Snell’s law）で屈折角が90°になる入射角 angle of incidence 入射角（angle of incidence） angle of incidence（入射角） を臨界角 critical angle 臨界角（critical angle） critical angle（臨界角） という。それより大きい入射角 angle of incidence 入射角（angle of incidence） angle of incidence（入射角） では伝搬する屈折光が存在せず、境界外にはエバネッセント場 evanescent field エバネッセント場（evanescent field） evanescent field（エバネッセント場） だけが形成される。

flowchart TD
  A["高<span class='jp-term jp-term-diagram' title='refractive index'>屈折率</span>媒質内を進行"]
  B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='critical angle'>臨界角</span>を超えて境界へ入射"]
  C["透過光が消失して<span class='jp-term jp-term-diagram' title='total internal reflection (TIR)'>全反射</span>"]
  A --> B
  B --> C

臨界角

$θ_c$は臨界角 critical angle臨界角（critical angle） critical angle（臨界角）。全反射total internal reflection (TIR) 全反射（total internal reflection (TIR)）total internal reflection (TIR)（全反射） には$n_1>n_2$と$θ_i>θ_c$の両方が必要である。

光ファイバーとエバネッセント場

臨界角critical angle 臨界角（critical angle）critical angle（臨界角） はSnellの法則で屈折角を90°として求める。境界外に残るエバネッセント場 evanescent field エバネッセント場（evanescent field） evanescent field（エバネッセント場） は、幾何光学geometric optics 幾何光学（geometric optics）geometric optics（幾何光学） だけでなく光の波動性 fluctuance (fluctuant)波動性（fluctuance (fluctuant)） fluctuance (fluctuant)（波動性）を使って説明する。

• 全反射total internal reflection (TIR) 全反射（total internal reflection (TIR)）total internal reflection (TIR)（全反射） は金属鏡と異なり、適切な条件では反射損失が非常に小さい。
• 光ファイバーoptical fiber 光ファイバー（optical fiber）optical fiber（光ファイバー） ではコア core コア（core） core（コア） の屈折率 refractive index 屈折率（refractive index） refractive index（屈折率） をクラッド cladding クラッド（cladding） cladding（クラッド） より高くして光を閉じ込める。
• エバネッセント場evanescent field エバネッセント場（evanescent field）evanescent field（エバネッセント場） の強度は境界から指数関数的 exponentially 指数関数的（exponentially） exponentially（指数関数的） に減衰し、その侵入深さは波長・入射角angle of incidence入射角（angle of incidence）angle of incidence（入射角）・屈折率refractive index 屈折率（refractive index）refractive index（屈折率） 差に依存するため、全反射蛍光顕微鏡法TIRF microscopy 全反射蛍光顕微鏡法（TIRF microscopy）TIRF microscopy（全反射蛍光顕微鏡法） では界面近傍を選択的に励起できる。¹²

医学・測定への応用

内視鏡、通信用光ファイバー optical fiber光ファイバー（optical fiber） optical fiber（光ファイバー）、プリズムprismプリズム（prism）prism（プリズム）、全反射蛍光顕微鏡法TIRF microscopy 全反射蛍光顕微鏡法（TIRF microscopy）TIRF microscopy（全反射蛍光顕微鏡法） で光の誘導または表面選択的励起に利用される。

まとめ

• 全反射total internal reflection (TIR) 全反射（total internal reflection (TIR)）total internal reflection (TIR)（全反射） は、高屈折率 refractive index 屈折率（refractive index） refractive index（屈折率） 媒質から低屈折率 refractive index 屈折率（refractive index） refractive index（屈折率） 媒質へ向かう光が臨界角 critical angle 臨界角（critical angle） critical angle（臨界角） を超えると、透過せず全て反射する現象である。
• 全反射total internal reflection (TIR) 全反射（total internal reflection (TIR)）total internal reflection (TIR)（全反射） は金属鏡と異なり、適切な条件では反射損失が非常に小さい。
• 内視鏡、通信用光ファイバー optical fiber光ファイバー（optical fiber） optical fiber（光ファイバー）、プリズムprismプリズム（prism）prism（プリズム）、全反射蛍光顕微鏡法TIRF microscopy 全反射蛍光顕微鏡法（TIRF microscopy）TIRF microscopy（全反射蛍光顕微鏡法） で光の誘導または表面選択的励起に利用される。