Techniklexikon

Totalreflexion

Totale Reflexion von Licht an einem Übergang zweier verschiedener optischer Medien. Tritt ein Lichtstrahl aus einem Medium mit einem großen Brechungsindex in ein Medium mit niedrigerem Index, so wird er vom Flächenlot aus gebrochen (Brechungsgesetz, Bild). Die maximale Ablenkung kann 90° betragen. Der dazugehörige Einfallswinkel wird Grenzwinkel (egr) der T. genannt. Er berechnet sich nach der Formel: sinegr = n2lni. Oberhalb dieses Einfallswinkels wird das Licht vollständig reflektiert (T.). Ist das angrenzende Medium Luft («2 = 1), so ergeben sich folgende Grenzwinkel für T.: Glas: 30 ° bis 45 °; Wasser: 50 °; Halbleitermaterialien: 12 ° bis 20 °. Die T. wird in Reflexionsprismen und bei der Faseroptik genutzt. FestkörperphysikOptik, Spezialfall der Reflexion, bei dem beim Übergang von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres Medium das gesamte Licht in das optische dichtere Medium zurückreflektiert wird. Fällt Licht unter einem Winkel a₁ beim Übergang von einem optisch dichteren Medium mit der Brechzahl n₁ in ein optisch dünneres Medium mit n₂ < n₁, so findet dann keine Brechung mehr statt, wenn der brechende Winkel a₂ nicht reell ist, und als Folge dessen existiert kein gebrochener Strahl. Das gesamte Licht wird in das optisch dichtere Medium zurück reflektiert. Dieser Vorgang wird als Totalreflexion bezeichnet. Der Winkel a₂, für den sin a₂ = 1 gilt, wird als Grenzwinkel der Totalreflexion a_g bezeichnet. Er ergibt sich aus dem Snelliusschen Brechungsgesetz (sin a₁ / sin a₂ = n₂ / n₁). Das totalreflektierte Licht ist elliptisch polarisiert.

Damit die Totalreflexion nicht gestört oder gar verhindert wird, muss der optisch dünnere Stoff eine Mindestdicke besitzen und nicht absorbierend sein. Schon ein geringer Absorptionsindex, wie ihn z.B. Flüssigkeiten besitzen, verhindert die Totalreflexion. Ersetzt man dieses Medium durch eine hinreichend dünne Schicht, so tritt auf der anderen Seite wieder eine durch Dämpfung in der Schicht geschwächte Welle auf. Die Totalreflexion ist dann also nicht mehr vollständig. Diese Erscheinung ist das optische Analogon des quantenmechanischen Tunneleffekts.

Die Totalreflexion, die für das Feuer der Diamanten und das Glitzern von Tautropfen in der Sonne verantwortlich ist, wird u.a. bei Refraktometern, Reflexionsprismen und in der Glasfaseroptik ausgenutzt.

Elektromagnetische Wellen werden an Materialien mit freien Ladungsträgern (z.B. Metallen) totalreflektiert, falls die Wellen eine Frequenz unterhalb einer Grenzfrequenz, der sog. Langmuir- oder Plasmafrequenz w_p des Materials, aufweisen. Beim Auftreffen der Welle auf das Metall wird die eindringende Lichtwelle exponentiell gedämpft, und keine Energie in dieser Richtung transportiert, die verbleibende Welle folglich totalreflektiert.

Der charakteristische Glanz von Metallen beruht auf deren Plasmakante oberhalb des Frequenzbereichs des sichtbaren Lichts. Im Ultravioletten hingegen sind die meisten Metalle durchsichtig, stellen also einen optischen Hochpassfilter dar (Metalloptik).

Totalreflexion 1: Schematische Darstellung des Lichtverlaufes im optisch dichteren und optisch dünneren Medium. Wenn der Einfallswinkel kleiner als der Grenzwinkel a_g ist, ergibt sich Brechung und Reflexion (1, 2), im umgekehrten Fall Totalreflexion (4).

Totalreflexion 2: Reflexionskoeffizient r als Funktion des Einfallswinkels a₁ für senkrecht (r_s) und parallel (r_p) polarisiertes Licht.