Показник заломлення визначається як відношення синуса кута падіння (sin i) до синуса кута заломлення (sin r). Повне внутрішнє відбивання відбувається, коли промінь світла відбивається всередині середовища замість того, щоб заломлюватися, що призводить до відсутності заломлення та дотримання закону відбиття.
Для світла, яке переходить із середовища з вищим показником заломлення в середовище з нижчим, існує критичний кут падіння, вище якого все світло відбивається.. Це явище називається повним внутрішнім відбиттям.
Міраж виникає внаслідок повного внутрішнього відбиття світла. На малюнку нижче показано механізм утворення міражу в пустелі. У спекотний сонячний день повітря біля поверхні гарячіше і рідше, ніж повітря над нею.
При відображенні хвилі виникають хвилі як відбиття, так і заломлення (проходячи через друге середовище). але при повному внутрішньому відбиванні відбувається лише відбивання променя, заломлення не допускається.
Повне внутрішнє відбивання відбувається лише за умови світло поширюється від середовища з високим показником заломлення до середовища з низьким показником заломлення. Підсумок: нехай світло поширюється від середовища 1 до середовища 2 і нехай n1 > n2. Тоді критичний кут θc визначається як sinθc = n2/n1.
Для повного внутрішнього відбиття світло має відхилятися від нормалі, а це означає, що світло має прискорюватися після проходження межі розділу. Оскільки показник заломлення обернено пропорційний швидкості, зовнішній матеріал повинен мати менший показник.