Totalreflexion
Englisch: total internal reflection
Erscheinung, bei der Licht an der Grenzfläche zwischen zwei Medien vollständig reflektiert wird, statt in das Medium mit kleinerem Brechungsindex zu gelangen, weil es unter einem Winkel größer oder gleich dem Grenzwinkel auftrifft.
Totalreflexion: Licht prallt an einer Grenzfläche ab, statt hindurchzugehen
Totalreflexion tritt an einer Grenzfläche zwischen zwei transparenten Medien auf, wenn Licht, das sich im dichteren Medium (höherer Brechungsindex) fortbewegt, die Grenzfläche in einem steilen Winkel trifft, so dass es nicht in das weniger dichte Medium brechen kann. Stattdessen prallt das gesamte Licht wie an einem Spiegel in das erste Medium zurück. Dies geschieht nur, wenn der Einfallswinkel den kritischen Winkel überschreitet, der von den Brechungsindizes beider Materialien abhängt.
Der kritische Winkel für ein beliebiges Medienpaar wird mit der Gleichung ermittelt: sin(θc) = n₂/n₁, wobei n₁ der Brechungsindex des dichteren Mediums und n₂ der des weniger dichten Mediums ist. Für Glas in Luft mit typischem Glas bei n = 1,5 und Luft bei n = 1,0 beträgt der kritische Winkel etwa 41,8 Grad. Unterhalb dieses Winkels findet Brechung statt und Licht tritt aus. Darüber hinaus ist die Reflexion total und verlustfrei.
Praktische Anwendungen und optisches Design
Lichtwellenleiter funktionieren vollständig aufgrund von Totalreflexion. Licht, das unter flachem Winkel zur Kernachse in einen Glas- oder Kunststofffaserkern eingekoppelt wird, trifft die zylindrische Grenzfläche unter Winkeln, die den kritischen Winkel überschreiten, daher prallt es die gesamte Länge der Faser mit minimalem Verlust ab. Eine einzelne haarfeine Faser kann Signale über Kilometer tragen. Ähnlich nutzen Eckwürfel und Retroreflektoren in Vermessung und Astronomie die Totalreflexion an Prismenflächen, um Licht entlang seines Einfallsweges mit hoher Effizienz und ohne Beschichtungen oder Spiegelungen zurückzugeben.
In Abbildungssystemen nutzen Prismen für Strahlablenkung oder Bildrotation die Totalreflexion, weil sie die Absorption und Beeinträchtigung vermeiden, die beschichtete Spiegelflächen verursachen können. Wenn sich jedoch Staub oder Material an der Grenzfläche ansammelt oder der Winkel aufgrund von mechanischer Fehlausrichtung oder thermischen Effekten unter den kritischen Wert absinkt, versagt die Reflexion und Licht tritt aus, was zu Signalverlust oder Bildfehlern führt.
Das Phänomen wurde erstmals im 17. Jahrhundert quantitativ beschrieben, wurde aber erst nach der Reifung von Lichtwellenleitern und präzisions-optischer Fertigung im späteren 20. Jahrhundert industriell bedeutsam. Heute ist es grundlegend für Telekommunikationsinfrastruktur, Laserleitsysteme, Endoskope und alle Geräte, die Licht über Entfernung führen oder mit minimalem Verlust umlenken müssen.