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Lexikon der Optik: Totalreflexion

Totalreflexion, die Erscheinung, daß beim Auftreffen einer Lichtwelle aus einem optisch dichteren Medium mit dem Brechungsindex n1 unter einem Einfallswinkel θ1≥arcsin(n2/n1) auf die Grenzfläche zu einem optisch weniger dichten Medium mit dem Brechungsindex n2 (n2<n1) keine gebrochene Welle auftritt, sondern das Licht vollständig reflektiert wird. Die Fresnelschen Formeln (Reflexion) liefern zwanglos die theoretische Beschreibung, wobei zu beachten ist, daß der Sinus des Brechungswinkels rein imaginär ist. Es zeigt sich, daß das elektromagnetische Feld als inhomogene Welle ein wenig in das zweite Medium eindringt. Die Flächen gleicher Amplitude sind dabei der Grenzfläche parallel. Die Flächen gleicher Phase stehen senkrecht zur Grenzfläche der beiden Medien. Die Amplitude selbst nimmt von der Grenzfläche in das optisch dünnere Medium hinein exponentiell ab. Übersteigt der Einfallswinkel den Grenzwinkel der T. θG=arcsin(n2/n1) auch nur um einen geringen Betrag, dann klingt die Amplitude in einer Tiefe von nur wenigen Wellenlängen bereits auf einen unmerklichen Bruchteil ab. Wird allerdings in diesen Bereich ein drittes Medium mit einem von n2 abweichenden Brechungsindex gebracht, dann wird die Erscheinung der T. empfindlich gestört, und es kann Strahlungsenergie in das dritte Medium eintreten und sich dort ausbreiten. Dieser Effekt wird bei optischen "Schaltern" ausgenützt und bildet die Grundlage für spektroskopische Anwendungen (ATR).

Der Energiestrom aus dem ersten in das zweite Medium ist bei ungestörter Ausbildung der T. im zeitlichen Mittel gleich Null. Es tritt jedoch im zweiten Medium, in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche, ein Energiestrom auf, der in der Einfallsebene parallel zur Grenzfläche verläuft und zu einer geringfügigen Versetzung des reflektierten Bündels gegenüber dem einfallenden führt (Goos-Hänchen-Versetzung). Bei zirkular (allgemeiner elliptisch) polarisiertem Licht tritt zusätzlich zu dieser longitutinalen Versetzung eine transversale auf.

Bei der T. erfolgt ein Phasensprung, der von der Polarisation des Lichtes – parallel (p) oder senkrecht (s) zur Einfallsebene – abhängt. Strahlt man daher linear polarisiertes Licht ein, dessen Polarisationsrichtung um 45° gegen die Einfallsebene geneigt ist, so tritt eine Phasendifferenz zwischen der p- und der s-Komponente des reflektierten Lichtes auf, die für den durch die Beziehung sin2ψ1=2n2/(1+n2) mit n=n2/n1 definierten Einfallswinkel einen Maximalwert δm annimmt, der sich aus der Relation tan(δm/2)=(1-n2)/(2n) errechnet. Bereits A.J. Fresnel nutzte diesen Effekt zur Umwandlung von linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes Licht mit Hilfe des Fresnelschen Parallelepipeds. Weitere Anwendung findet die T. bei Lichtleitern, dem Reflexionsprisma, der Spektroskopie nach dem Verfahren der ATR, zur Brechzahlbestimmung sowie zur Erzeugung linear polarisierten Lichtes in einem Polarisationsprisma.

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