5. Totalreflexion

Beim Übergang von einem Medium mit niederigem Brechungsindex zu einem Medium mit höherem Brechungsindex (zum Beispiel von Luft zu Glas) wird ein Teil des Lichtstrahles reflektiert und ein Teil wird gebrochen.

Bei Übergang von einem Medium mit höherem Brechungsindex zu einem Medium mit niedrigerem Brechungsindex (zum Beispiel von Glas zu Luft) wird ab einem bestimmten Winkel der komplette Lichtstrahl reflektiert, es tritt Totalreflexion auf (siehe Abbildung 5.2).

Fig. 5.2 Zweimalige Totalreflexion in einem Prisma, Quelle: Zátonyi Sándor, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12159121

Bei diesem kritische Winkel, ab dem alle Lichtstrahlen reflektiert werden, schliessen die Senkrechte zu Einfallsebene und der gebrochene Lichtstrahl einen Winkel von \(90^\circ\) ein (siehe auch der gelbe Lichtstrahl in Abbildung 5.3).

Damit gilt nach Snellius

\[n_1 \cdot sin \left( \theta_c \right) = n_2 \cdot sin \left( 90^\circ \right) = n_2 \cdot 1\]

wobei \(\theta_c\) der kritische Einfallswinkel ist. Umstellen dieser Gleichung nach \(\theta_c\) ergibt

\[\theta_c = arcsin \left( \frac{n_2}{n_1} \right)\]

Fig. 5.3 Totalreflexion rot: Reflexion beim flachen Auftreffen von Licht, das aus einem optisch dichteren Medium kommend auf ein optisch dünneres trifft gelb: Grenzsituation zwischen Brechung (grün) und Reflexion (rot), Quelle: Cepheiden, Gemeinfrei, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3987665

Dieser kritische Winkel wird auch Brewster’scher Winkel oder Brewsterwinkel genannt. Ab diesem Einfallswinkel werden alle auftreffenden Strahlen reflektiert.

Lichtleiterkabel (Fibre Optics) nutzen das Phänomen der Totalreflexion aus, somit ist eine nahezu verlustfreie Informationsübertragung möglich.