Totalreflexion

Ursache und Auswirkung der Totalreflexion

Bei der Totalreflexion handelt es sich um ein Phänomen, das in der Physik, genauer gesagt in der Optik in Erscheinung tritt. Gemeint ist das Verhalten von elektromagnetischen Wellen in Form von Licht, das auf den ersten Blick so nicht zu erwarten ist. Elektromagnetische Wellen in Form von Licht breiten sich strahlenförmig aus, das bedeutet, sie sind anfangs als Gerade sichtbar, werden dann immer schwächer sichtbar, weil die Bündelung nach und nach aufgelöst wird. Der Lichtstrahl unterliegt einer immer größer werdenden Streuung. Grundsätzlich breitet sich eine elektromagnetische Welle oder ein Lichtstrahl jedoch geradlinig aus, so lange es sich in ein und demselben Medium befindet. Erst, wenn der Lichtstrahl in ein anderes Medium eindringt, beispielsweise von der Luft in Wasser, wird der Strahl gebrochen, das heißt, er ändert die Richtung. Diese Richtungsänderung des Lichtstrahls aber auch anderer Wellen wird im Brechnungsgesetz, auch Snellius-Gesetz genannt, behandelt. Der Winkel, den die Fortsetzung des Strahls zu seiner ursprünglichen einnimmt, nennt sich Brechungswinkel. Die Brechung liegt daran, daß der Lichtstrahl von einem optisch weniger dichten Medium (Luft) in ein optisch dichteres Medium (Wasser) oder umgekehrt eintritt. Dabei gilt: Findet der Wechsel des Mediums von optisch dünner nach optisch dichter statt, so erfolgt die Brechung zum Lot, also der Senkrechten hin. Umgekehrt verhält es sich, wenn der Wechsel von einem optisch dichteren zu einem optisch dünneren Medium hin erfolgt. Dann erfolgt die Brechung vom Lot weg. Der Einfallswinkel hat dabei den oberen Grenzwert 90°. Genauer gesagt werden diese 90° nie erreicht, denn das würde bedeuten, daß der Lichtstrahl parallel zum angrenzenden Medium fallen, jedoch nie in selbiges eintreten würde. Einfalls- und Ausfallswinkel bei dieser Brechung stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander, d.h. der Quotient aus der Sinusfunktion beider Winkel ist immer gleich und wird Brechzahl genannt. Unterschiedliche Medien haben aufgrund ihrer unterschiedlichen Beschaffenheit unterschiedliche Brechzahlen. Trifft jedoch das Licht in einem ganz bestimmten Winkel, nämlich dem Grenzwinkel auf das neue Medium, wird dieses an der Grenzfläche vollständig zurückgeworfen. Diese besondere Tatsache wird Totalreflexion genannt.

Gesetzmäßigkeiten und Auswirkungen in der Praxis

Die Brechung des Lichtes oder anderer Wellen und Strahlen beim Übergang in ein anderes Medium folgt bestimmten Regeln. Ebenso, wie der Einfallswinkel auf das jeweils neue Medium ein Maximum hat, so hat auch der Brechungswinkel ein Maximum. Dies ist jedoch abhängig von den Medien, die eine gemeinsame Grenzfläche bilden. Als Beispiel sei ein Gegenstand im Wasser gegeben. Diesen Gegenstand zu ergreifen, erweist sich oftmals nicht als einfach, da er sich nicht dort befindet, wo das Auge ihn vermutet. Hier spielt uns die Brechung des Lichtes einen Streich. Urzeitliche Jäger haben aus der Erfahrung heraus diesen Umstand in ihr Jagdverhalten eingebaut und warfen ihren Speer daher nicht dorthin, wo sie den Fisch sahen, sondern dorthin, wo er tatsächlich war. Während die Jäger dabei Instinkt und Erfahrungen nutzten, sind wir heute in der Lage, anhand des Einfallswinkels, sowie der jeweiligen Medien exakt zu bestimmen, wohin das Licht abgelenkt wird, bzw. woher es ursprünglich kommt.

Bedeutung in der Praxis

Das Wissen um die Tatsache, daß in allen Medien ausser im Vakuum das sichtbare Licht einem bestimmten vom Material abhängigen Brechungsindex abgelenkt wird, wird zum Beispiel in Umlenkprismen genutzt. Eine Totalreflexion, die in diesem Falle beim Übertritt in ein dichteres Medium stattfindet, kann zum Umlenken des Lichtes genutzt werden. Glasfaserkabel befördern Informationen in Form von Licht und dank der Totalreflexion können diese Informationen bis zu 20.000 Kilometer weit transportiert werden. Auch bei Polarisatoren wird die Eigenschaft der Brechung ausgenutzt. Hier findet eine Doppelbrechung statt, die dafür sorgt, daß doppelbrechende Materialien in einem bestimmten Winkel teilweise transmittiert und teilweise reflektiert werden. Dies wird für polarisationsabhängige Strahlteiler genutzt.

Totalreflexion in der Wirtschaft

Neben der Nutzung der Totalreflexion durch Glasfaserkabel in der Telekommunikation, findet sie in einer Reihe anderer Branchen Verwendung. Hochkomplexe Fluoreszensmikroskope machen sich dieses Wissen speziell in der TIRF-Technologie zunutze, wo um das Präparat herum vom Objektträger eine Totalreflexion ausgeht. In der Photovoltaik gelingt es Ingenieuren mittels der Totalreflexion eine wesentlich höhere Ausbeute an Sonnenenergie bei deutlich geringerem Aufwand zu erzielen. Auch bei Röntgenstrahlen wird die Totalreflexion in der Röntgenoptik ausgenutzt. Das Phänomen Totalreflexion findet daher in vielen modernen Branchen gewinnbringende Verwendung.