Totalreflexion

Fach Fach

Klasse 10

Autor Joker2017

Veröffentlicht am 17.07.2018

Schlagwörter

Totalreflexion

Zusammenfassung

DIeses Referat behandelt das physikalische Phänomen der Totalreflexion. Die Totalreflexion wird erklärt, die abklingende Welle beschrieben und es werden zahlreiche technische Anwendungsmöglichkeiten genannt.

Bei der Totalreflexion handelt es sich um ein physikalisches Phänomen, mit elektromagnetischen Wellen, wie sichtbarem Licht.

Die Totalreflexion findet an den Grenzflächen von nicht absorbierenden Medien statt, wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit verschieden stark ist und der Einfallswinkel einen bestimmten Wert überschreitet. Die Welle dringt in diesem Fall nicht mehr zum Großteil in das nächste Medium ein, sondern wird fast komplett reflektiert, also in das erste Medium zurückgeworfen. Die Totalreflexion ist eine idealisierte Vorstellung, da auch bei einer komplett reflektierten Strahlung stets ein Teil durch die Absorption verloren geht.

In manchen Fällen ist diese Absorption jedoch derart gering, dass die vernachlässigt werden kann. Dies ist beispielsweise bei hochtransparenten Materialien der Fall. Trotzdem kann es auch bei Materialien wie Glas durch die Konstruktion der Grenzfläche zu Reflexionsminderungen, also einer verhinderten Totalreflexion, kommen.
Ein Beispiel für eine beobachtbare Totalreflexion ist, wenn sichtbares Licht in einem transparenten Medium, wie zum Beispiel Wasser auf die Grenzfläche gegen Luft trifft. Ist der Einfallswinkel sehr steil, so tritt das Licht gebrochen wieder aus. Hierbei wird nur ein kleiner Teil des Lichts reflektiert. Wenn der Einfallswinkel den Grenzwinkel der Totalreflektion überschreitet, steigt der Anteil der Reflexion sprunghaft auf fast 100 Prozent.

Abklingende Welle

Die Totalreflexion unterscheidet sich von der Reflexion an metallischen Oberflächen. Aus den Maxwell Gleichungen geht hervor, dass eine elektromagnetische Welle ihre Ausbreitungsrichtung an der Grenzfläche nicht plötzlich ändern kann. Daher bildet sich an der entsprechenden Stelle eine stehende Welle, welche in das folgende Medium eindringt. Die Feldstärke von der Welle nimmt im Folgematerial exponentiell ab. Die Eindringtiefe, ist die Tiefe, bei der die Amplitude der abklingenden Welle noch ungefähr 37 Prozent der ursprünglichen Amplitude hat.

Bei der Beschreibung des Phänomens der Totalreflexion, werden einige Faktoren vernachlässigt, um den Prozess vereinfacht und anschaulich darstellen zu können.

Vorkommen in der Natur

Das Prinzip der Totalreflexion ist in der Natur in zahlreichen Situationen zu beobachten. Ein berühmtes Beispiel ist das Funkeln und Glänzen eines geschliffenen Diamanten. Doch auch die weiße Farbe bei den Kristallen von Zucker oder faserigen Stoffen sind Effekte der Totalreflexion. Die Lichtstrahlen können zwar in die jeweiligen Materialien eindringen, können diese aber erst nach mehreren Totalreflexionen wieder verlassen.

Technische Anwendungen

Ultraviolette Strahlung, sichtbare Strahlung und infrarote Strahlung

Das Prinzip der Totalreflexion wird in einigen technischen Anwendungen ausgenutzt. In dem Bereich des sichtbaren Lichts ist der sogenannte Brechungsindex stets höher als in Vakuum oder in Luft. Dies macht sich die Technik in speziellen Umlenkprismen sowie in Lichtwellenleitern zu Nutze. Hier passiert die Totalreflexion, wenn der Übergang vom optisch dichteren ersten Medium, in das optisch dünnere zweite Medium, stattfindet. Das Licht kann dann fast ohne Verluste in die gewünschte Richtung umgelenkt werden.

In Glasfaserkabeln wird dieses Prinzip ebenfalls angewendet. Glasfaserkabel können Informationen in Form von Licht knapp 20 Kilometer weit tragen, ohne dass die Information verstärkt werden muss. Da es die Möglichkeit einer Verstärkung auch noch gibt, werden viele technische Anwendungsmöglichkeiten möglich. Die Totalreflexion wird manchmal auch auf Doppelbrechung basierende Polarisation angewendet. Dabei macht sich die Technik zu nutze, dass doppelbrechende Medien immer polarisationsabhängige Brechungsindizes haben. Hierdurch kommen bei bestimmten Einfallswinkeln Polarisationen vor, welche größtenteils transmittiert werden, während andere totalreflektiert werden. Dieses Phänomen wird in der Technik bei Strahlteilern angewendet.

Hierbei werden zum Beispiel zwei Prismen in kurzem Abstand nebeneinander gestellt. Der Abstand muss hierbei im Bereich einer Wellenlänge des jeweiligen Lichts liegen. In diesem Fall wird ein Teil der Welle reflektiert, während der andere Teil der Welle in das nächste Prisma transmittiert wird. Durch eine Variation des Abstandes zwischen den beiden Prismen, kann das gewünschte Verhältnis der beiden Anteile eingestellt und variabel gehalten werden. Dieses Verfahren wird bei der Erstellung von Hologrammen genutzt oder auch als optische Weiche bei der Übermittlung mit Hilfe von Lichtwellenleitern.

Die Totalreflexion gibt auch in der Messtechnik und Verfahrenstechnik oft zur Anwendung. Die abgeschwächte Form der Totalreflexion wird beispielsweise seit den 1960er Jahren in der Infrarotspektroskopie verwendet. Da sie Eindringtiefe äußerst klein ist, lassen sich auf diese Art sogar dünne und stark lichtabsorbierende Materialien, wie beispielsweise wässrige Lösungen, genauer untersuchen. Bei diesem Verfahren sind keinerlei störende Interferenzen zu erwarten. Dies ist ein Vorteil gegenüber anderen Messverfahren, wie zum Beispiel der Transmissionsmessung von dünnen Schichten.

Weitere Vorteile sind in der Mikroskopie zu finden. Hierbei hervorzuheben sind insbesondere die Fluorezensmikroskopie und die TIRF Mikroskopie. Hier sorgt die kleine Eindringtiefe, dass sehr wenig Material zur Fluoreszenz veranlasst wird. Dadurch ergibt sich ein höherer und somit besserer Kontrast. Außerdem wird das in der Regel sensible organische Material weniger geschädigt, was ein enormer Vorteil gegenüber anderen Methoden ist.

Das Phänomen der Totalreflexion wird auch bei Photovoltaikanlagen genutzt. Hier hat es neben dem technischen Nutzen auch einen großen wirtschaftlichen Nutzen. Die Totalreflexion sorgt dafür, dass optische Konzentratoren für entsprechende Zellen gebaut werden können. Diese können die Kosten für eine Photovoltaikanlage deutlich senken, da bei der Totalreflexion der Aufwand viel kleiner ist, als bei der Nutzung von anderen optischen Systemen, wie beispielsweise Fresnellinsen.