فوائد الانعكاس الكلي الداخلي وشروطها

مزايا الانعكاس الداخلي الكلي

يتم استخدام الانعكاس الخارجي في تصميم عدسات الكاميرا وأنظمة التركيز الأخرى مثل التلسكوبات لكي يتسرب الضوء من الوسط (على سبيل المثال زجاج العدسة) لأن الانحناء الذي يحدث هو بدقة التركيز الذي تريده ، للتركيز أو التحريك. خلال هذه الحالة ، قد يكون الانعكاس الداخلي أمرًا سيئًا لأنه الآن علامة خسارة.

يحدث الانعكاس الداخلي عندما تصطدم الموجة بالحدود وتبقى داخل الوسط، والانعكاس الخارجي هو العكس تمامًا.

يتم استخدام الانعكاسات الداخلية بشكل رئيسي في تصميم الدليل الموجي، حيث يتم استخدام هذه الخاصية كمرشح نظرًا لأن الترددات المختلفة تعكس بشكل مختلف، وبهذه الطريقة، يتم دعم روابط بيانات الألياف الضوئية

شروط الانعكاس الكلي الداخلي

عندما يتم تمرير الضوء خلال وسط خاص، يتغير سرعة أشعة الشمس ويتم انكسار الضوء

عندما ينتقل الضوء من وسط كثافته أعلى مثل الزجاج، إلى وسط كثافته أقل مثل الهواء، تزداد سرعة أشعة الشمس وتنكسر الضوء بعيدًا عن الوسط التقليدي إذا كانت زاوية الانكسار أكبر من زاوية السقوط.

مع زيادة زاوية السقوط، تزداد زاوية الانكسار أيضًا، وعند زاوية السقوط المناسبة، تنكسر أشعة الشمس بزاوية 90 درجة وتتبع حدود الوسطاء. تسمى زاوية السقوط هذه باللغة العربية.

الانعكاس الداخلي الكلي والألياف الضوئية

تعمل الألياف الضوئية على الانعكاس الداخلي الكامل للإشارة.

يمكن أن تكون الألياف الضوئية عبارة عن قضيب رفيع من الزجاج عالي الجودة. يتم إدخال الضوء/الأشعة تحت الحمراء من أحد الطرفين ويتم انعكاسها داخليًا متكررًا حتى تظهر في الطرف المقابل.

يحدث انعكاس الشمس لأنها تمر عبر ألياف ضوئية

ولاحظ كمثال : عندما تضرب أشعة الشمس الجزء العلوي من الألياف البصرية، يتم انحراف الضوء بسبب زاوية السقوط، ويتم انكسار الضوء. ويعمل الألياف البصرية حتى عند انحناءها.

الاتصالات لمسافات طويلة:

يمكنُ أيضًا استخدامُ الأليافِ الضوئيةِ للاتصالِ لمسافاتِ طويلةٍ. كما يمكنُ مطابقةَ استخدامِ الأليافِ الضوئيةِ مع الأقمارِ الصناعيةِ للاتصالِ لمسافاتِ طويلةٍ

شروط الانعكاس الكلي الداخلي في بيولوجيا الخلية

يفضل رؤية هذه الأحداث على سطح الخلية بدون تدخل من مناطق أعمق في الداخل. توضح هذه المراجعة تقنية الفحص المجهري المدعومة بالفلورة الانعكاس الكلي الداخلي، والتي تتوافق مع التقسيم البصري في مناطق الركيزة الخلوية مع منطقة رقيقة غريبة الشكل من الإثارة الفلورية.

لهذه التقنية العديد من التطبيقات الأخرى أيضًا ، وأبرزها دراسة حركية الكيمياء الحيوية وديناميات الجزيء الحيوي الفردي على الأسطح. يتم توفير ملخص سريع لهذه التطبيقات  متبوعًا بعروض تقديمية للأساس المادي للتقنية وبالتالي الطرق المختلفة لتنفيذ  الانعكاس الكلي الداخلي  خلال مجهر  قياسي.

يوفر الفحص المجهري للانعكاس الكلي الداخلي (الفحص المجهري للموجة الزائلة) طريقة لتحفيز الفلور بشكل انتقائي في بيئة مائية أو خلوية قريبة جدا من سطح صلب (في حدود ≤ 100 نانومتر). ويؤدي التحفيز الفلوري في هذه البيئة الرقيقة من الطاقة الكهرومغناطيسية (المعروفة بالمجال الزائل) إلى إنتاج صور ذات إضاءة خلفية ضعيفة جدا وتقليل تعرض الخلايا للضوء على مستويات أخرى داخل العين

تقنيات التحليل للانعكاس الكلي الداخلي بالامثلة

تندرج تقنيات التحليل الطيفي للانعكاس الداخلي ضمن مجال التحليل الطيفي، مثل التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء والدليل الموجي للانعكاس الخارجي .

في تحليل الطيف الانعكاسي الكلي الداخلي، يتم توجيه الضوء نحو الواجهة من خلال مادة ذات كثافة بصرية أعلى بزاوية أكبر من زاوية السقوط. على سبيل المثال، عندما يمر الضوء من مادة ذات معامل انكسار عال إلى مادة ذات معامل انكسار منخفض، يتم انكساره بحيث تكون زاوية الضوء المنعكسة عن السطح أكبر من زاوية الضوء الساقطة. عند الزاوية الحرجة، لا يحدث انكسار للضوء وينعكس كله من الواجهة.

تتطلب معادلات ماكسويل أن تكون مكونات متجهات التدفق الكهربائي والمغناطيسي الموازية للواجهة متصلة عبر الواجهة، ولذلك يجب أن تخترق كمية قليلة من أشعة الشمس في المؤشر السفلي لوسط الانكسار، ويُشار إلى هذا الضوء باسم “الموجة الفازية.

في تحليل الطيف الانعكاسي الداخلي الكلي، يجب على الضوء الذي يتم إرساله من المجس الخضوع لمؤشر الانكسار العلوي للوسط، ويجب أن يكون هذا الوسط واضحاً .

مثال : يتم جمع عينات من العمق الملموس للمؤشر السفلي لوسط الانكسار (والذي يتراوح عادة بين 100 نانومتر إلى 1 ميكرومتر) بواسطة ضوء المجس، بينما تكون الواجهة نفسها ذات أبعاد جزيئية عادة (بين واحد إلى بضع نانومتر). وطرق TIR غير حساسة للسطوح الجوهرية للطرق البصرية غير الخطية. ويمكن أن يكون عدم القدرة على اختراق الموجة الزائلة إلى عمق كبير عيبا يعتمد على الجهاز وكثافة جزيئات الواجهة مقارنة بالطبقة النحيفة المدروسة.

هناك أسباب متنوعة لاستخدام التحليل الطيفي لـ TIR والأهم من ذلك هو أن حصر المجال الكهربائي على حافة الواجهة ،  يعطي حساسية السطح داخل الوسط الأقل كثافة بصريًا. والأمرالثاني عبارة عن  تحسين مزدوج تقريبًا للمجال الكهربائي في الواجهة بفضل تداخل الحادثة والموجات المنعكسة ، مما يؤدي إلى زيادة الحساسية. وقد يكون هذا التأثير مفيدًا حتى عندما لا تكون حساسية السطح ضرورية.

على سبيل المثال: في توليد إجمالي التردد، حيث تكون حساسية السطح أمرا أساسيا في التقنية، ومع ذلك، تظل هندسة الانعكاس الكلي الداخلي مناسبة تجريبيا، نظرا لأنها تسمح بقياس الإشارة بسبب القوة السادسة للحقول الكهربائية عند الواجهة. أخيرا، تكون تقنيات الانعكاس الكلي الداخلي مفيدة عندما تعيق الاعتبارات التجريبية التحليل الطيفي للإشارة المرسلة، مثل العينات غير الشفافة أو العينات الصغيرة مثل البروتينات.

غالبًا ما يتم التحكم في طول المسير الفعال من خلال اختيار كمية الانعكاسات التي تحتُمّ الحزمة TIR.

في الحالات مثل هذه، لا يكون حساسية السطح مرغوبًا فيها – وقد تكون عوائق إذا كانت منطقة السطح مختلفة بشكل كبير عن الكتلة .

هناك نوعان رئيسيان من طيف TIR: الأشخاص الذين يقيسون امتصاص أشعة الشمس بواسطة العينة، والأشخاص الذين يقيسون تشتت أو انبعاث ضوء الشمس من العينة. يشار عادة إلى المجموعة الأولى باسم مطياف انعكاس كلي ضعيف (ATR) لوصف حقيقة أن شدة الضوء المنعكس تقل أو تضعف داخل العينة. وتستخدم بشكل شائع مع الأشعة تحت الحمراء، على الرغم من إمكانية استخدام الأشعة فوق البنفسجية أو الضوء أيضا .

في المجموعة الثانية ، يكون امتصاص أشعة الشمس ضئيلًا (على الرغم من أنه ليس صفرًا في الواقع ، نظرًا لأن عددًا من الضوء الساقط يتناثر أو يمتص ثم يعاد إرساله حتى تعمل الطريقة) وبالتالي فإن الطيف موجود في الضوء الخارج من العينة في طول موجي خاص. العيّنتان الأكثر شيوعًا من هذا النوع من التحليل الطيفي هما الانعكاس الداخلي الكلي (TIRF) والانعكاس الداخلي الكلي (TIRR RAMAN)

النظرية البصرية والانعكاس الداخلي الكلي

على الرغم من أن تقنيات ATR قد تم تطويرها قبل تشتت الموجة الزائل – ربما بفضل انتشار مطيافية الأشعة تحت الحمراء في كل مكان في التحليل الكيميائي – إلا أن تقنيات التشتت / الانبعاث أسهل في الفهم نظرا لانخفاض الشدة بفضل الامتصاص. تقنيات ATR تولد مجموعة متنوعة من المصنوعات التجريبية، ويعزى ذلك في المقام الأول إلى استخدامها لمجموعة متنوعة من طول الموجة الحادثة. لذا، سنتجاهل تأثير امتصاص أشعة الشمس في البداية

أما عن الزاوية الحرجة :زاوية السقوط هي الزاوية التي يصل فيها الضوء إلى وسط كثافته الأعلى، وتقابلها زاوية الانكسار التي تكون قيمتها 90 درجة على الأقل للوسط الأكثر كثافة، وعند سقوط الضوء على سطح الفاصل يخرج الشعاع منحرفا، ويحدث الانعكاس الكلي عندما تكون زاوية السقوط أكبر من الزاوية الحرجة في الوسط الكثيف