¿Qué sucede "exactamente" cuando un rayo incide en el ángulo crítico?

En general, la reflexión y la refracción ocurren cuando la luz pasa de un medio a otro. Puedes ver esto si ves tu propio reflejo en una ventana. Ahora, a medida que un rayo de luz se acerca al ángulo crítico, no solo el rayo refractado se acerca a la superficie, sino que la cantidad de luz transmitida es cada vez menor. En el ángulo crítico, el rayo refractado estaría a lo largo de la superficie, pero la cantidad de luz es cero.

El siguiente gráfico muestra cuánta luz se refleja en varios ángulos de incidencia. El gráfico de la derecha muestra tu situación de un rayo de luz moviéndose de un medio denso a un medio más ligero (vidrio a aire, por ejemplo). En el ángulo crítico, se refleja el 100% de la luz, sin dejar nada que se propague a lo largo de la superficie.

de http://en.wikipedia.org/wiki/Fresnel_equations

Déjame ir un poco más allá de la respuesta de @ mark-h:

El comportamiento de la luz en una interfaz se describe mediante la solución del campo electromagnético a la ecuación de Helmhotlz . Proporciona los componentes eléctricos y magnéticos reflejados y transmitidos en función de los índices de refracción de los medios incidentes y salientes.

A partir de esas soluciones, podemos derivar los coeficientes de transmisión y reflexión de Fresnel (consulte las cifras en la respuesta de @ Mark-H) en función del ángulo de incidencia. Describen la amplitud (y la fase) de los haces reflejados y transmitidos.

Hay 2 consecuencias que te pueden interesar:

1. La luz nunca se transmite al 100%. Siempre hay cierta cantidad de reflexión, incluso cuando el ángulo de incidencia está por debajo del ángulo crítico. Para la interfaz aire-vidrio, alrededor del 4 % de la luz se refleja con una incidencia normal (solo mire su reflejo en una ventana).
2. Por encima del ángulo crítico, el fenómeno se denomina Reflexión Interna Total (TIR). El 100% de la luz se refleja. Ninguna luz transmitida significa que no hay una solución de propagación viable para la ecuación de Helmholtz en el medio que sale. PERO , todavía hay un campo EM que atraviesa la interfaz. Simplemente no se está propagando, y se llama evanescente . Existe solo a unas pocas micras de la interfaz y decae exponencialmente (si está familiarizado con las ecuaciones diferenciales parciales, la solución tiene una constante de propagación imaginaria).

Hay otras consecuencias a escala microscópica, como el efecto Goos-Hanchen : la onda reflejada se desplaza ligeramente paralela a la superficie.

El fenómeno de la onda evanescente es muy utilizado en fotónica: acoplamiento de guía de ondas, transmisión por fibra óptica, elipsometría, etc. Es básicamente el responsable de que tu microprocesador funcione y tu internet llegue a tu casa :)

Si el rayo de luz es normal a la superficie, se transmite la máxima cantidad de luz.

A medida que el rayo de luz se dobla, como en la parte (b), un porcentaje de la luz se transmitirá (refractará) y el resto se reflejará (en el ángulo de incidencia).

Muy cerca del ángulo crítico$\theta_c - d\theta$Asimismo, parte de la luz será transmitida (refractada casi tangente a la superficie) y parte reflejada. En este punto, puede imaginar que la mayoría de la luz se refleja y solo se refracta un pequeño porcentaje de la luz.

En el ángulo crítico$\theta_c$, aunque el ángulo refractado es tangente a la superficie, la intensidad es en realidad 0 y toda la luz se refleja.

Más allá del ángulo crítico$\theta_c + d\theta$, toda la luz se refleja.

Asimismo, en el caso inverso, debido a que se invierte la densidad óptica del medio, no hay$\theta_c$. En$\theta < \frac\pi2$parte de la luz se transmite (refracta) y parte se refleja. En$\theta = \frac\pi2$toda la luz se refleja en el ángulo$\frac\pi2$por lo que la conclusión resultante es que la luz simplemente va en línea recta.