Totale innere Reflexion | Definition und Anwendung

Gesamte Interne Reflexion

Einleitung

Die totale interne Reflexion (TIR) ist ein Phänomen, das auftritt, wenn eine elektromagnetische Welle, wie Licht, von einem Medium mit einem höheren Brechungsindex (n₁) in ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex (n₂) unter einem Einfallswinkel übertritt, der größer ist als ein bestimmter kritischer Winkel (θ_c). In diesen Bedingungen wird die Welle vollständig in das Medium mit dem höheren Brechungsindex zurückreflektiert, und es erfolgt keine Übertragung in das Medium mit dem niedrigeren Brechungsindex.

Grundlagen und Snellsches Gesetz

Der kritische Winkel (θ_c) lässt sich mit dem Snellschen Gesetz bestimmen, das den Einfallswinkel (θ₁) und den Brechungswinkel (θ₂) mit den Brechungsindizes der beiden Medien in Beziehung setzt: n₁ * sin(θ₁) = n₂ * sin(θ₂). Für die totale interne Reflexion muss der Brechungswinkel 90 Grad betragen: n₁ * sin(θ_c) = n₂ * sin(90°). Die Auflösung nach dem kritischen Winkel ergibt: θ_c = arcsin(n₂ / n₁).

Anwendungen der Totalen Internen Reflexion

Die totale interne Reflexion ist nur möglich, wenn die Welle von einem Medium mit einem höheren Brechungsindex in ein Medium mit einem niedrigeren Brechungsindex übergeht. Dieses Prinzip ist entscheidend in verschiedenen Anwendungen, wie:

• Optische Fasern: Die totale interne Reflexion ist die Grundlage für die Lichtübertragung in optischen Fasern, die in der Telekommunikation und Datenübertragung weit verbreitet sind. Der Kern einer optischen Faser hat einen höheren Brechungsindex als die umgebende Ummantelung, was sicherstellt, dass Lichtsignale im Kern eingeschlossen bleiben und über lange Strecken mit minimalen Verlusten übertragen werden.
• Prismen: Prismen können so gestaltet werden, dass sie totale interne Reflexion nutzen, um Licht zu reflektieren oder verschiedene Wellenlängen zu trennen, wie es in Geräten wie Ferngläsern, Periskopen und Spektrometern zu sehen ist.
• Unterwasserbildgebung: Wenn Licht von Wasser zu Luft übergeht, kann es bei bestimmten Winkeln zu einer totalen internen Reflexion kommen, was einen „spiegelähnlichen“ Effekt erzeugt, der es ermöglicht, unter Wasser lebende Kreaturen oder Objekte von der Wasseroberfläche aus zu beobachten.
• Laserkavitäten: Die totale interne Reflexion wird in einigen Laserschwingkreisen verwendet, um Licht zwischen Spiegeln einzuschließen und zu führen, was sicherstellt, dass das Licht hin und her reflektiert wird und so das Lasersignal verstärkt.

Schlussfolgerung

Das Verständnis der totalen internen Reflexion ist essentiell für das Design optischer Systeme und Geräte, die auf der effizienten Ausbreitung und Manipulation von Licht basieren.