Gibt es Totalreflexion beim Übergang von Luft ins Wasser?

Nein. Totalreflexion ist nur aus einem Medium mit größerem n in eines mit kleinerem n möglich. Aus Luft ins Wasser wird der Strahl immer hinein gebrochen (und teilweise reflektiert); an dieser Grenze gibt es keinen Grenzwinkel.

Wird bei Totalreflexion die ganze Energie reflektiert?

In idealen durchsichtigen Medien mit glatter Grenze — ja, es gibt keinen gebrochenen Strahl. Im Stoff gibt es Absorption und Rauheit; bei einer guten Faser bleiben die Verluste an der Grenze trotzdem klein.

Wie hängt Totalreflexion mit dem Lichtwellenleiter zusammen?

Der Kern mit größerem n ist von einem Mantel mit kleinerem n umgeben. Strahlen, die steiler als der Grenzwinkel auf die Grenze fallen, werden vielfach reflektiert und laufen längs der Faser. Darauf beruht die Signalübertragung.

Warum sieht man den reflektierten Strahl schon vor dem Grenzwinkel?

An jeder Grenze zweier Medien wird ein Teil des Lichts reflektiert (Fresnel-Formeln), ein Teil gebrochen. Bis θ_c ist die Reflexion partiell. Nach θ_c fällt die Brechung weg, die Reflexion wird total.

Totalreflexion

Grenzwinkel θ_c = arcsin(n₂/n₁); Strahl aus dem dichteren Medium und Analogie zum Lichtwellenleiter.

Zum Modell

Totalreflexion entsteht, wenn Licht aus einem Medium mit größerem Index n₁ in eines mit kleinerem n₂ geht und der Einfallswinkel den Grenzwinkel θ_c = arcsin(n₂/n₁) überschreitet. Bis zum Grenzwinkel gibt es einen gebrochenen und einen teilweise reflektierten Strahl; danach fehlt der gebrochene, die ganze Energie kehrt im Idealmodell nach dem Reflexionsgesetz zurück. Das Brechungsgesetz n₁ sin θ₁ = n₂ sin θ₂ liefert bei θ₂ = 90° gerade θ_c. Die Grenze ist eben, die Medien ohne Absorption. Man ändert n₁, n₂ und den Einfallswinkel; auf dem Schema auch ein Hinweis auf den Faserkern, in dem dieselbe Totalreflexion den Strahl hält.

Für wen: Jahrgangsstufe 9–11 und Studienbeginn: Grenzwinkel und Totalreflexion.

Wichtige Begriffe

Totalreflexion
Grenzwinkel
Brechungsgesetz
Brechungsindex
Einfallswinkel
Brechungswinkel
optisch dichteres Medium
Lichtwellenleiter

So funktioniert es

Das Licht kommt von unten, aus dem dichteren Medium, nach oben. Solange θ_i < θ_c = arcsin(n₂/n₁), gibt es einen gebrochenen Strahl; bei θ_i > θ_c verschwindet er — Totalreflexion. Daneben auf dem Schema ein Hinweis auf den Faserkern. Absorption und die evaneszente Welle hinter der Grenze werden hier nicht gerechnet.

Wichtige Gleichungen

n₁ sin θᵢ = n₂ sin θₜ (Brechungsgesetz)

θ_crit = arcsin(n₂/n₁) bei n₁ > n₂

Häufige Fragen

Gibt es Totalreflexion beim Übergang von Luft ins Wasser?: Nein. Totalreflexion ist nur aus einem Medium mit größerem n in eines mit kleinerem n möglich. Aus Luft ins Wasser wird der Strahl immer hinein gebrochen (und teilweise reflektiert); an dieser Grenze gibt es keinen Grenzwinkel.
Wird bei Totalreflexion die ganze Energie reflektiert?: In idealen durchsichtigen Medien mit glatter Grenze — ja, es gibt keinen gebrochenen Strahl. Im Stoff gibt es Absorption und Rauheit; bei einer guten Faser bleiben die Verluste an der Grenze trotzdem klein.
Wie hängt Totalreflexion mit dem Lichtwellenleiter zusammen?: Der Kern mit größerem n ist von einem Mantel mit kleinerem n umgeben. Strahlen, die steiler als der Grenzwinkel auf die Grenze fallen, werden vielfach reflektiert und laufen längs der Faser. Darauf beruht die Signalübertragung.
Warum sieht man den reflektierten Strahl schon vor dem Grenzwinkel?: An jeder Grenze zweier Medien wird ein Teil des Lichts reflektiert (Fresnel-Formeln), ein Teil gebrochen. Bis θ_c ist die Reflexion partiell. Nach θ_c fällt die Brechung weg, die Reflexion wird total.

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