反射・屈折？？？

Question

『特殊加工したアクリル板（導光板）の端面より光を導入すると、光はアクリル板の中を全反射しながら進んでいく。
そして既に加工してある反射ドットに光が当たって向きを変え、全反射角より小さくなった成分の光がアクリル板の表面に出てくる。…』

という文章がありました。

質問１．なぜ光は全反射角より小さくならないとアクリル板表面に出れないのでしょうか？

質問２．上の文章に書かれている現象が十分理解できるようになりたいのですが、なんという分野を調べたらよいでしょうか？（高校卒～大学卒レベルの内容まで理解したいと思っています）

よろしくお願い致します。

sanori · Accepted Answer

私は、理工系の修士課程まで修了した者です。
（固有名詞は明かしませんが、一応、無名では無いところです。）

私の記憶が確かならば、
全反射やブリュースター角の理論については、大学～大学院授業で全く習いませんでした。
社会人になって、仕事で使う必要が生じたときに、初めて、それらを勉強し、そして、応用する羽目になりました。

（なお、本件に関し、Ｎｏ．１さんがブリュースター角を引き合いに出されていますが、ブリュースター角は、全反射の条件ではなく、反射光が直線偏光になる条件です。全く違う範疇の話というほどではないのですが・・・念のため。）


そして、
「全反射」は、たしか中学時代に、理科の先生が、水槽に濁った水を入れ、そこへ懐中電灯のようなもので光を入射させるパフォーマンスによって、「現象」として認識したような気がします。
ＮＨＫ教育テレビでも見ました。

♪ひっかるー海っひっかるおーぞら
のＦＴＴＨ、フレッツなんちゃら、なんちゃら電話、クリスマスや誕生日に似合うカラフルな光ファイバーの置き物・・・、
といった、光ファイバー技術は、光導線（ファイバー）の中で光が、ファイバーの断面の輪郭部分（円周部分）で全反射しながら進むので成立しています。


さて、
光の媒質中の透過、屈折率（＝光の減速率のことです）、反射、等々・・・
これらの現象が何故起こるのかの説明は、
実は、量子電磁力学の話になります！

透明な物質（光が透過する物質）は、水、ガラス、アクリル、空気・・・身の回りに沢山ありますよね？
しかし、透過しない物質は、それ以上に沢山ありますよね？

「透明な物質」とは、そもそも何なのか？
「光が媒質中を透過する」「透過するときに真空中より光速が遅くなる（屈折率が高い）」ということ自体、理由は一体何なのか？、本質的に何を意味するのか？
これらは、全て、量子電磁力学の範疇です。

「透明な物質中を光が透過する」という日常極めてよく目にする、いかにも常識的な現象は、実は「光が透過」しているのではありません。
まず、（真空中から）入射した１個のフォトン（＝光子）が１個の電子にキャッチされ、それが、バスケットボールのパス回しのように、電子がパス回ししているんです。

もしも、本当に「光速」が変化するのであれば、アインシュタインの理論は、根こそぎ間違っていることになります。


そこまで根本的なとこから始めなくてもよいではないか、と思われるかもしれませんが、
仮に、ぐっとレベルを落として、先人が残してくれた数々の有用な法則・定理を、疑いが無いものとして丸飲みすることにするとしても、
それでも、なお、
光が透明な２つの媒質の境界で起こる透過（＝アクリル板表面に出る）、反射、屈折などの現象の記述には、虚数だの、直線偏光だの、なんちゃら偏光だの、気味の悪い概念がやたらと出てきます。

屈折率の違うもの同士の間では、必ず反射が起こります。
ですから、私たちは、透明なガラスのコップを見ることができ、川や、池や、風呂の湯の表面も視認することが出来ます。

米村でんじろう先生が、数ヶ月前に、テレビで、水槽の中に食用油（？）を溜めておき、その中にビーカーを入れたら、ビーカーが消えて見える、という現象のパフォーマンスをされていました。
これは、油とガラスの屈折率が非常に近い値であるからです。

空気は我々に見えないように思えますが、じつは、見えることもあります。
ほら。夏の暑い日に、遠くのアスファルトの表面に見える、あれです。あれですよ。
それから、ほら。アルコールランプやガスレンジの炎の上の辺りも、もやもやと・・・。

これらも、現象論として理解するのが良いでしょう。

別に学者でなくても、色んな現象に共通する要素を抽出し、法則として認識できれば、たとえ定量的、数値的に理論を構築できないとしても、定性的なことだけでも理解できた人は、法則・定理を「理解できた」どころか、むしろ、自ら法則・定理を「作れた」ことになります。


まず、
第１ステップとしては、現象論として理解してください。
つまり、法則や定理の存在を認識してください。
（私もそうでした。）

今、ネットで、ざっと調べましたが、簡潔に書かれているのは、下記です。

http://www.op.titech.ac.jp/lab/Take-Ishi/html/ki/hg/et/opt/optm.html

http://www.ee.seikei.ac.jp/~seiichi/lecture/Wave/Column06/evanescent.html

私自身が、この辺のことを、何で勉強したかというと、
かつての仕事仲間で共用していた、液晶技術関係の「辞典」か「ハンドブック」のような書籍でした。
ネット検索したら、「液晶辞典」（約\7,000）というタイトルの書籍が、アマゾンその他で引っかかりましたが、表紙の写真が掲載されていないため、私が使用していたのと同一なのかどうか定かではありません。
（「液晶ハンドブック」というのも引っかかりましたが、これは私が読んだことがないものです。）

書店か図書館で、書籍名の頭に「光学」が冠されているものを探されるのも良いでしょう。
（つまり、質問２への回答は、「光学」です。）


本質の本質である量子電磁力学については、読み物としても面白く、実に本質を突いた説明手法を用いている、下記の書籍を１冊お買い求めになることをお勧めします。

光と物質のふしぎな理論―私の量子電磁力学
R.P. ファインマン (著), 
釜江 常好, 大貫 昌子 (翻訳)
http://www.amazon.co.jp/exec/obidos/ASIN/4000058665/503-8945002-7292709

この、量子電磁力学で、私達の周囲で、私達がよく目にする現象の概ね８割方を説明でき、
残りの２割ぐらいが重力と２つの核力（強／弱相互作用）、というようなイメージです。

ginlime · Answer

＃３さんのご指摘の通りです。
ブリュスター角→臨界角に変更します。
これで間違いはありません。Googleで検索下さい。

konagoo · Answer

屈折率だけで説明できる話のように思います

屈折率1.0の空気中の屈折率1.5アクリル板ですから、
板の面に対して全反射角より大きな光は、アクリル版から外に出ないで反対の端面から出てきます。

空気がクラッドとは言えませんが、ステップインデックス型の光ファイバと同じ原理ではないでしょうか

ginlime · Answer

ブリュースター角を調べてください。それから高分子の光学異方性です＝位相差の原理＝常光と異常光です。

反射・屈折？？？

私は、理工系の修士課程まで修了した者です。

＃３さんのご指摘の通りです。

屈折率だけで説明できる話のように思います

ブリュースター角を調べてください。

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