In cazul in care lumina trece dintr-un mediu optic mai dens in unul mai putin dens (de exemplu, din apa in aer, din sticla in aer, din sticla in apa etc.), unghiul de refractie este totdeauna mai mare decat unghiul de incidenta si de aceea marind treptat unghiul de incidenta creste si unghiul de refractie, astfel ca pentru o anumita valoare a unghiului de incidenta unghiul de refractie este de 90^o.(vezi figura)

Valoarea l a unghiului de incidenta pentru care unghiul de refractie este de 90^o se numeste unghi limita. Pentru orice valoare a unghiului de incidenta mai mare decat unghiul limita, l, lumina nu mai trece in mediul al doilea, ci se reflecta in punctul de incidenta, intorcandu-se in primul mediu conform legilor reflexiei, suprafata de separare comportandu-se ca o oglinda. Absenta completa a luminii in mediul al doilea pentru unghiuri de incidenta mai mari decat unghiul limita si intoarcerea ei integrala in mediul intai, a facut ca acest fenomen sa fie numit reflexie totala.
Unghiul limita are o valoare bine determinata pentru o pereche data de substante adiacente.
Daca i=l si r=90^o, atunci legea refractiei devine
n₁·sin l = n₂·sin 90^o,
de unde
sin l = n₂/n₁,
ceea ce arata ca unghiul limita, l, depinde numai de indicii de refractie a celor doua medii aflate in contact.
Exemplu: Pe fundul unui vas de inaltime h plin cu apa cu indicele de refractie n se afla o sursa de lumina punctiforma asezata in centrul vasului. Ce diametru maxim formeaza fasciculul de lumina pe suprafata apei?

Rezulta ca atunci cand lumina trece dintr-un mediu mai dens in unul mai putin dens se produce reflexia totala, iar daca lumina trece dintr-un mediu mai putin dens in altul mai dens, valorile unghiului de refractie r sunt cuprinse intre zero si l pentru toate valorile unghiului de incidenta i cuprinse intre zero si 90^o. Nu exista in acest caz, nici un unghi de incidenta i pentru care unghiul de refractie r sa fie mai mare decat unghiul limita (nu are loc reflexia totala).


Mirajul

Din cauza incalzirii mari a suprafetei Pamantului in unele zone straturile de aer vecine Pamantului devin mai calde decat straturile superioare si mai putin dense in comparatie cu straturile de aer superioare. Ca urmare lumina se propaga spre medii mai putin dense, la fiecare trecere dintr-un strat dens in altul mai putin dens unghiul de refractie creste devenind pentru o anumita pereche de straturi, unghi de incidenta mai mare decat unghiul limita si apare fenomenul de reflexie totala.

Observatorul va vedea obiectul AB insotit de imaginea rasturnata AB' in prelungirea ultimei portiuni a traiectoriei curbe parcursa de lumina prin straturile de aer din vecinatatea solului. Acest fenomen, in care imaginea rasturnata AB' se afla sub obiect , se numeste miraj inferior. Uneori, vara cand este foarte cald oamenii dintr-un autovehicul care se deplaseaza pe sosea au impresia ca la o anumita distanta in fata autovehiculului asfaltul este ud.
Daca straturile inferioare de aer sunt mai reci decat cele superioare, atunci imaginea AB' apare deasupra obiectului AB, asa cum se intampla uneori dimineata deasupra apei marilor din zonele reci. Acest tip de miraj se numeste miraj superior sau miraj arctic. Mirajul arctic cunoscut in Islanda sub denumirea de efectul Hillingar este echivalentul din nord al binecunoscutului miraj al desertului.

Mirajul arctic apare cand o masa stabila de aer limpede ajunge pe o suprafata mult mai rece. Rezultatul este schimbarea proprietatilor optice ale aerului, asa incat refracta lumina ca o lentila uriasa, de fapt are loc reflexia totala. Obiectele aflate departe, dincolo de linia orizontului, apar acum in campul vizual, plutind deasupra orizontului, iar uneori se vad imagini rasturnate, una deasupra celeilalte. Conditii favorabile pentru formarea acestui tip de miraj exista dincolo de Groenlanda.