Biophysics · 02.05

全反射とその応用

Total internal reflection and its applications

🧠 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

\sin\theta_c=\frac{n_2}{n_1}\qquad (n_1>n_2)

$θ_c$ 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。
エバネッセント波evanescent waveエバネッセント波（evanescent wave）evanescent wave（エバネッセント波）は境界から波長程度の距離で急減し、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）に利用される。

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。