第三十六篇：雷射光的全反射

Abstract

在元宵節的時候，我們會提燈籠、吃湯圓、去燈會看花燈。在五彩繽紛的燈會中，我們看到雷射光打向天空，五彩繽紛、美麗極了。其實，雷射光也可以做一些驚人的實驗，例如全反射。 光線的折射與反射。 雷射筆、魚缸、水、太白粉、沙拉油、黑色衣服。 1. 準備一個容器（魚缸），堶掘豸禲A再加入很少量的太白粉，以輔助觀察。 2. 在牆壁貼上黑色衣服做背景。 3. 關閉電燈，然後將雷射光從魚缸的側面射入水中。 4. 調整雷射筆的角度，讓雷射光射向水面。 5. 令人驚奇的事情發生了，雷射光沒有射出水面，而是反轉向下，全反射發生了。 這個實驗的原理是描述光線通過兩個不同介質，產生折射與反射的斯涅爾（Snell，阿拉伯的數學家及光學工程師，西元940-1000年）定律﹕n1sinθ1 = n2sinθ2 ，其中n1和n2是兩個介質的折射率，θ1和θ2是入射角和折射角。例如，空氣的折射率是1.00，水的折射率是1.33，油的折射率大約是 1.4 ~ 1.8，玻璃的折射率大約是 1.55。 根據這個定律，光線從折射率大的介質，進入折射率小的介質，在「適當的角度」，會產生全反射的情形。前面的例子，就是光線從水(n1=1.33)進入空氣(n2=1.00)時，產生了全反射。 6. 接下來，我們將沙拉油倒入魚缸，因為油比水輕，所以會浮在上層。 7. 將雷射光從魚缸側面射入，從水的區域，射向油的區域。這次的情況有點變化，在油和水的介面，不產生全反射。但是在油和空氣的介面，仍然會產生全反射。 8. 我們再換個方式，將雷射光從魚缸側面射入，從油的區域，射向空氣或水的區域。全反射又出現了，並且在(a)油與水的介面﹔和(b)油與空氣的介面都有全反射。 光線從油(n1=1.5)進入空氣(n2=1.00)時，或者從油(n1=1.5)進入水(n2=1.33)時，都可以產生全反射。全反射也是「光學纖維」可以讓光線通過的原理。我們在國中的自然課，就會學到光線的折射與反射。這埵陪荌暋D，「魚兒魚兒水中游」，當魚兒向水面仰望，或向魚缸側面的玻璃注視的時候，會看到什麼景象？請看下面的照片。 (在台北捷運的台北車站1、2號出口拍攝) 醫放系所 高怡宣 / 陳金山 老師