Lichtbrechung und Totalreflexion
Warum erscheint ein Gegenstand im Wasser geknickt? Wie können Linsen Licht bündeln, und weshalb bleibt Licht innerhalb eines transparenten Kunststoffs gefangen, obwohl dieser eigentlich lichtdurchlässig ist? Die Antworten liefern zwei grundlegende Phänomene der Optik: Lichtbrechung und Totalreflexion.
Wenn Licht von einem Material in ein anderes übergeht, kann es seine Ausbreitungsrichtung ändern. Unter bestimmten Bedingungen wird es sogar vollständig an der Grenzfläche reflektiert und verbleibt im ursprünglichen Medium. Beide Effekte lassen sich durch den Brechungsindex der beteiligten Materialien und den Einfallswinkel des Lichts beschreiben.
Diese Zusammenhänge sind nicht nur für das Verständnis natürlicher optischer Erscheinungen wichtig. Sie bilden auch die physikalische Grundlage zahlreicher technischer Anwendungen – von Brillengläsern und optischen Fasern bis zu hochentwickelten LED-Linsen, Lichtleitplatten und Beleuchtungssystemen.
Was ist Lichtbrechung?
Als Lichtbrechung oder Refraktion bezeichnet man die Änderung der Ausbreitungsrichtung von Licht beim Übergang zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes.
Ein typisches Beispiel ist der Übergang von Luft in Wasser oder Glas. Trifft ein Lichtstrahl schräg auf die Grenzfläche, wird seine Richtung verändert. Der Strahl setzt seinen Weg im zweiten Medium unter einem anderen Winkel fort.
Die Ursache liegt darin, dass sich die Phasengeschwindigkeit des Lichts in den beiden Materialien unterscheidet.
Warum ändert Licht seine Richtung?
Licht breitet sich als elektromagnetische Welle aus. Beim Eintritt in ein anderes transparentes Material ändert sich seine Phasengeschwindigkeit aufgrund der elektromagnetischen Wechselwirkung mit dem Material.
Trifft eine Wellenfront schräg auf die Grenzfläche, erreicht ein Teil der Wellenfront das zweite Medium früher als ein anderer. Dadurch verändert sich die Orientierung der Wellenfront und damit auch ihre Ausbreitungsrichtung.
Dieser Zusammenhang lässt sich mit dem Huygensschen Prinzip erklären: Jeder Punkt einer Wellenfront kann als Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle betrachtet werden. Aus der Überlagerung dieser Elementarwellen ergibt sich die neue Ausbreitungsrichtung.
Wichtig ist dabei die Unterscheidung zwischen drei Größen:
Frequenz: Sie bleibt beim Übergang zwischen ruhenden Medien unverändert.
Wellenlänge: Sie verändert sich entsprechend der Phasengeschwindigkeit im jeweiligen Medium.
Ausbreitungsrichtung: Sie ändert sich bei schrägem Einfall, wenn sich die Brechungsindizes unterscheiden.
Trifft Licht dagegen genau senkrecht auf eine ebene Grenzfläche, bleibt seine Richtung unverändert. Seine Wellenlänge und Phasengeschwindigkeit können sich dennoch ändern.
Der Brechungsindex: Wie stark wird Licht gebrochen?
Der Brechungsindex ist eine dimensionslose physikalische Größe. Er beschreibt, wie sich die Phasengeschwindigkeit des Lichts in einem Material zur Lichtgeschwindigkeit im Vakuum verhält.
Die Definition lautet:
n = c₀ / vₚ
Dabei bezeichnet:
n den Brechungsindex des Materials,
c₀ die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum,
vₚ die Phasengeschwindigkeit des Lichts im Material.
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt exakt 299.792.458 Meter pro Sekunde. In gewöhnlichen transparenten Materialien ist die Phasengeschwindigkeit geringer. Der Brechungsindex liegt dort typischerweise über 1.
Je größer der Brechungsindex, desto geringer ist die Phasengeschwindigkeit des Lichts im betreffenden Medium.
Der Brechungsindex hängt unter anderem von der Wellenlänge, der Temperatur und der Materialzusammensetzung ab.
Typische Brechungsindizes verschiedener Materialien
| Material | Brechungsindex n (ca.) |
|---|---|
| Vakuum | 1,0000 |
| Luft | 1,0003 |
| Wasser | 1,33 |
| Acrylglas (PMMA) | 1,49 |
| Kronglas | 1,52 |
| Polycarbonat (PC) | 1,58 |
Die angegebenen Werte sind typische Näherungswerte für den sichtbaren Spektralbereich. Der tatsächliche Brechungsindex hängt von der Wellenlänge und der jeweiligen Materialqualität ab.
Optisch dicht und optisch dünn
In der Optik wird häufig zwischen optisch dichteren und optisch dünneren Medien unterschieden.
Ein Material mit höherem Brechungsindex wird als optisch dichter bezeichnet. Ein Material mit niedrigerem Brechungsindex gilt als optisch dünner.
Diese Bezeichnungen beziehen sich ausschließlich auf die optischen Eigenschaften und nicht unmittelbar auf die Massendichte eines Materials.
Beim Übergang von Luft in Glas bewegt sich Licht beispielsweise von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium.
Das Snelliussche Brechungsgesetz
Die Richtung eines gebrochenen Lichtstrahls lässt sich mathematisch mit dem Snelliusschen Brechungsgesetz bestimmen.
Es beschreibt den Zusammenhang zwischen den Brechungsindizes zweier Materialien und den Winkeln des einfallenden und gebrochenen Lichtstrahls.
Die Gleichung lautet:
n₁ · sin(α) = n₂ · sin(β)
Dabei gilt:
n₁: Brechungsindex des ersten Mediums
n₂: Brechungsindex des zweiten Mediums
α: Einfallswinkel
β: Brechungswinkel
Beide Winkel werden gegenüber dem Lot gemessen. Das Lot ist eine gedachte Linie, die senkrecht auf der Grenzfläche steht.
Mit dieser Gleichung lassen sich Lichtwege durch transparente Materialien, Linsen und optische Bauteile berechnen.
Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium
Trifft Licht aus Luft auf Glas oder Acrylglas, wird es bei schrägem Einfall zum Lot hin gebrochen.
Das bedeutet, dass der Brechungswinkel kleiner ist als der Einfallswinkel.
Ein Beispiel:
Ein Lichtstrahl trifft unter einem Winkel von 45° auf die Oberfläche einer Acrylglasplatte.
Für Luft kann näherungsweise n₁ = 1,00 und für Acrylglas n₂ = 1,49 angenommen werden.
Aus dem Snelliusschen Brechungsgesetz ergibt sich:
sin(β) = (1,00 / 1,49) · sin(45°)
Daraus folgt:
β ≈ 28,3°
Der Lichtstrahl setzt seinen Weg im Acrylglas also in einem Winkel von etwa 28,3° gegenüber dem Lot fort.
Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium
Beim umgekehrten Übergang, beispielsweise von Glas in Luft, wird Licht vom Lot weg gebrochen.
Der Brechungswinkel ist dann größer als der Einfallswinkel.
Mit zunehmendem Einfallswinkel wächst auch der Brechungswinkel. Unter bestimmten Bedingungen erreicht er schließlich 90°.
An diesem Punkt beginnt der Übergangsbereich zur Totalreflexion.
Was geschieht beim Durchgang durch eine Glasscheibe?
Eine ebene Glasscheibe besitzt zwei annähernd parallele Grenzflächen.
Beim Eintritt aus der Luft in das Glas wird der Lichtstrahl zunächst zum Lot hin gebrochen. Beim Austritt aus dem Glas in die Luft erfolgt eine Brechung vom Lot weg.
Wenn sich auf beiden Seiten der Scheibe dasselbe Außenmedium befindet und die Grenzflächen parallel sind, verläuft der austretende Strahl wieder parallel zum einfallenden Strahl.
Er ist jedoch seitlich versetzt.
Dieses Verhalten ist beispielsweise bei Fensterscheiben, transparenten Abdeckungen und optischen Schutzgläsern von Bedeutung.
Reflexion und Brechung an derselben Grenzfläche
Wenn Licht auf die Grenzfläche zweier transparenter Materialien trifft, wird im Allgemeinen nicht die gesamte Strahlungsleistung in das zweite Material übertragen.
Ein Teil wird reflektiert, während der übrige Anteil in das zweite Medium eintritt und dort gebrochen wird.
Wie groß die reflektierten und übertragenen Anteile sind, hängt unter anderem von den Brechungsindizes, dem Einfallswinkel und der Polarisation des Lichts ab.
Diese Zusammenhänge werden durch die Fresnelschen Gleichungen beschrieben.
Bei senkrechtem Lichteinfall auf eine unbeschichtete Glasoberfläche mit einem Brechungsindex von ungefähr 1,5 werden gegenüber Luft beispielsweise rund 4 % der einfallenden Lichtleistung reflektiert.
Das erscheint zunächst wenig. Bei optischen Systemen mit mehreren Grenzflächen können sich diese Reflexionsverluste jedoch bemerkbar machen.
Deshalb werden in hochwertigen optischen Systemen unter anderem Antireflexbeschichtungen und aufeinander abgestimmte Materialkombinationen eingesetzt.
Die grundlegenden Reflexionsmechanismen werden im Kapitel „Reflexion von Licht“ näher behandelt.
Was ist Totalreflexion?
Totalreflexion bezeichnet den physikalischen Vorgang, bei dem Licht an einer Grenzfläche vollständig in das ursprüngliche Medium zurückreflektiert wird, anstatt sich als gebrochener Strahl im zweiten Medium fortzusetzen.
Dieser Effekt tritt nur unter bestimmten Bedingungen auf.
Zunächst muss sich das Licht aus einem Medium mit höherem Brechungsindex in Richtung eines Mediums mit niedrigerem Brechungsindex bewegen.
Außerdem muss der Einfallswinkel einen bestimmten Grenzwinkel überschreiten.
Wird dieser Grenzwinkel überschritten, existiert im zweiten Medium kein gewöhnlicher, sich von der Grenzfläche fortbewegender gebrochener Lichtstrahl mehr.
Im idealisierten Fall einer verlustfreien Grenzfläche wird die gesamte einfallende optische Leistung reflektiert.
Die Reflexion erfolgt dabei weiterhin nach dem Reflexionsgesetz: Einfallswinkel und Reflexionswinkel sind gleich groß.
Warum tritt Totalreflexion nur in einer Richtung auf?
Entscheidend ist das Verhältnis der Brechungsindizes.
Wenn Licht von einem optisch dünneren in ein optisch dichteres Medium übergeht, wird es zum Lot hin gebrochen. Das Snelliussche Brechungsgesetz liefert für jeden möglichen Einfallswinkel einen entsprechenden Brechungswinkel.
Beim umgekehrten Übergang wird der Lichtstrahl dagegen vom Lot weg gebrochen.
Ab einem bestimmten Einfallswinkel würde die mathematische Fortsetzung des Brechungsgesetzes einen Sinuswert größer als 1 verlangen.
Da dies für einen reellen Winkel nicht möglich ist, kann sich unter diesen Bedingungen kein gebrochener Lichtstrahl in das zweite Medium fortsetzen.
Stattdessen entsteht Totalreflexion.
Der Grenzwinkel der Totalreflexion
Der Grenzwinkel ist derjenige Einfallswinkel, bei dem der gebrochene Lichtstrahl gerade einen Winkel von 90° zum Lot erreicht.
Der gebrochene Strahl verläuft in diesem Grenzfall entlang der Grenzfläche.
Für zwei transparente Medien mit n₁ größer als n₂ ergibt sich:
αG = arcsin(n₂ / n₁)
Dabei bezeichnet αG den Grenzwinkel der Totalreflexion.
Er hängt ausschließlich von den Brechungsindizes der beiden Medien ab, sofern diese für die betrachtete Wellenlänge bekannt sind.
Für Einfallswinkel oberhalb dieses Grenzwinkels tritt Totalreflexion auf.
Beispiel: Totalreflexion an der Grenzfläche Acrylglas – Luft
Acrylglas besitzt einen Brechungsindex von ungefähr 1,49. Für Luft kann der Brechungsindex näherungsweise mit 1,00 angenommen werden.
Daraus ergibt sich:
αG = arcsin(1,00 / 1,49)
αG ≈ 42,2°
Ein Lichtstrahl, der sich innerhalb einer Acrylglasplatte bewegt und unter einem Winkel von mehr als 42,2° gegenüber dem Lot auf die Grenzfläche zur Luft trifft, wird bei idealen Bedingungen vollständig reflektiert.
Bei kleineren Winkeln kann ein Teil des Lichts aus der Platte austreten.
Grenzwinkel verschiedener Materialien gegenüber Luft
| Ausgangsmedium | Brechungsindex ca. | Grenzwinkel ca. |
|---|---|---|
| Wasser | 1,33 | 48,8° |
| Acrylglas (PMMA) | 1,49 | 42,2° |
| Glas | 1,50 | 41,8° |
| Polycarbonat | 1,58 | 39,3° |
Die Werte verdeutlichen, dass der Grenzwinkel mit zunehmendem Brechungsindex des Ausgangsmaterials kleiner wird, wenn das zweite Medium Luft bleibt.
Das hat erhebliche Konsequenzen für die Konstruktion optischer Systeme.
Ist Totalreflexion tatsächlich vollständig?
Bei einer idealen Grenzfläche zwischen verlustfreien transparenten Medien wird oberhalb des Grenzwinkels die gesamte einfallende Lichtleistung reflektiert.
Dabei gibt es allerdings eine Besonderheit: Das elektromagnetische Feld endet nicht exakt an der Materialoberfläche.
Im zweiten Medium bildet sich ein sogenanntes evaneszentes Feld aus. Dieses reicht nur eine sehr kurze Strecke über die Grenzfläche hinaus und nimmt mit zunehmendem Abstand exponentiell ab.
Bei einer einzelnen idealen Grenzfläche transportiert dieses Feld keine mittlere Energie senkrecht von der Oberfläche weg.
Wird jedoch ein weiteres optisches Medium in sehr geringem Abstand an die Grenzfläche gebracht, kann eine Energieübertragung stattfinden. Dieser Effekt wird als verhinderte oder frustrierte Totalreflexion bezeichnet.
Er spielt beispielsweise in speziellen optischen Sensoren und Kopplungssystemen eine Rolle.
Dispersion: Warum die Wellenlänge eine Rolle spielt
Der Brechungsindex eines Materials ist im Allgemeinen nicht für alle Lichtwellenlängen gleich.
Diese Abhängigkeit bezeichnet man als Dispersion.
Bei vielen gewöhnlichen transparenten Materialien ist der Brechungsindex im sichtbaren Spektralbereich für kurzwelliges blaues Licht etwas größer als für langwelliges rotes Licht.
Deshalb werden unterschiedliche Spektralanteile an einer Grenzfläche geringfügig unterschiedlich stark gebrochen.
Ein besonders anschauliches Beispiel ist ein Prisma. Trifft weißes Licht auf das Prisma, werden seine verschiedenen Wellenlängen unter unterschiedlichen Winkeln abgelenkt.
Dadurch kann das ursprünglich gemeinsame Lichtbündel räumlich in seine Spektralanteile aufgespalten werden.
In technischen optischen Systemen kann Dispersion erwünscht sein, beispielsweise bei der Spektralanalyse. Bei der Abbildung oder präzisen Lichtlenkung kann sie dagegen zu unerwünschten Farbabweichungen führen.
Bei LED-Beleuchtung ist die Dispersion unter anderem für die Gestaltung von Linsen und Lichtlenksystemen relevant, insbesondere wenn Licht unterschiedlicher Wellenlängen möglichst gleichmäßig verteilt werden soll.
Anwendungen von Lichtbrechung und Totalreflexion in der LED-Technik
Lichtbrechung und Totalreflexion sind wesentliche Grundlagen moderner LED-Optiken. Sie bestimmen mit darüber, wie effizient Licht aus einem LED-Chip ausgekoppelt, innerhalb eines optischen Bauteils geführt und schließlich im Raum verteilt werden kann.
Lichtauskopplung aus LED-Chips
Das Licht entsteht innerhalb des Halbleitermaterials einer LED.
Viele hierfür eingesetzte Halbleitermaterialien besitzen vergleichsweise hohe Brechungsindizes. Beim Übergang vom Halbleiter zur Umgebungsluft entsteht deshalb ein erheblicher Unterschied zwischen den Brechungsindizes.
Dadurch können große Teile der intern erzeugten Strahlung an den Grenzflächen totalreflektiert werden, anstatt den Chip unmittelbar zu verlassen.
Das ist ein wichtiges Problem bei der Entwicklung effizienter LEDs.
Um die Lichtauskopplung zu verbessern, werden unterschiedliche Maßnahmen eingesetzt. Dazu gehören geeignete Verkapselungsmaterialien, gekrümmte Austrittsflächen sowie speziell strukturierte Halbleiter- und Materialoberflächen.
Eine transparente Verkapselung mit einem zwischen Halbleiter und Luft liegenden Brechungsindex kann die Lichtauskopplung an der inneren Grenzfläche verbessern.
Allerdings muss das gesamte optische System betrachtet werden: Auch zwischen Verkapselung und Luft können unerwünschte Reflexionen auftreten.
Deshalb beeinflussen nicht nur die verwendeten Materialien, sondern auch die Form und Oberflächenstruktur der Verkapselung die tatsächlich nutzbare Lichtleistung.
Sekundäroptiken: Linsen und Kollimatoren
Viele LED-Leuchten verwenden zusätzliche optische Elemente, um den ursprünglich breiten Lichtaustritt einer LED gezielt zu verändern.
Diese Bauteile werden als Sekundäroptiken bezeichnet.
Eine klassische Sammellinse nutzt die Lichtbrechung, um Lichtstrahlen in gewünschte Richtungen abzulenken. Durch die Form ihrer Oberflächen und den Brechungsindex des Materials lässt sich die resultierende Lichtverteilung beeinflussen.
Ein Kollimator dient dazu, ein divergierendes Lichtbündel stärker zu bündeln beziehungsweise seine Winkelverteilung zu verkleinern.
Besonders interessant sind sogenannte TIR-Optiken (Total Internal Reflection Optics).
Sie kombinieren Lichtbrechung und Totalreflexion innerhalb eines transparenten optischen Bauteils. Während bestimmte Lichtanteile an den Eintritts- und Austrittsflächen gebrochen werden, können andere an entsprechend geformten Seitenflächen durch Totalreflexion umgelenkt werden.
Dadurch sind kompakte optische Systeme möglich, die ohne verspiegelte Außenflächen eine gezielte Lichtlenkung erreichen.
Solche Optiken werden unter anderem in Strahlern, technischen Leuchten und Anwendungen mit definierten Abstrahlcharakteristiken eingesetzt.
Lichtleitplatten für flächige Beleuchtung
Ein besonders anschauliches Anwendungsgebiet der Totalreflexion sind transparente Lichtleitplatten.
Sie bestehen häufig aus Acrylglas oder anderen geeigneten transparenten Kunststoffen.
Bei einer kantenbeleuchteten Lichtleitplatte wird das Licht seitlich in das Material eingekoppelt. Ein großer Teil der Lichtstrahlen trifft innerhalb der Platte unter Winkeln auf die Außenflächen, bei denen Totalreflexion auftritt.
Das Licht wird dadurch im Material geführt und kann sich über größere Entfernungen ausbreiten.
Damit es nicht ausschließlich innerhalb der Platte verbleibt, werden gezielt Auskopplungsstrukturen eingesetzt.
Dazu gehören beispielsweise mikrostrukturierte Oberflächen, Prismen, Punktmuster oder andere optisch wirksame Strukturen.
Diese verändern lokal die Lichtausbreitung und sorgen dafür, dass ein definierter Anteil des geführten Lichts aus der Platte austritt.
Durch die geeignete Verteilung dieser Strukturen kann eine möglichst gleichmäßige Leuchtdichte erreicht werden.
Dieses Prinzip ist unter anderem für flächige Lichtmodule, hinterleuchtete Anzeigen und bestimmte Ausführungen großflächiger Beleuchtungssysteme relevant.
Optische Fasern und Lichtwellenleiter
Auch bei Glasfasern und anderen optischen Wellenleitern bildet die Totalreflexion eine wesentliche Grundlage der Lichtführung.
Ein klassischer Stufenindex-Lichtwellenleiter besteht aus einem inneren Kern und einer umgebenden Mantelschicht.
Der Kern besitzt einen höheren Brechungsindex als der Mantel.
Dadurch können geeignete Lichtanteile innerhalb des Kerns geführt werden, ohne bei jedem Auftreffen auf die Kern-Mantel-Grenzfläche auszutreten.
In der Wellenoptik wird diese Führung genauer durch die Ausbreitung elektromagnetischer Moden beschrieben.
Das Prinzip findet Anwendung in der Telekommunikation, Messtechnik, Sensorik und Lichtübertragung.
Warum auch bei Totalreflexion Lichtverluste auftreten können
Die ideale Totalreflexion bedeutet nicht, dass ein realer Lichtleiter völlig verlustfrei arbeitet.
Während die Reflexion an einer idealen Grenzfläche oberhalb des Grenzwinkels verlustfrei sein kann, treten im gesamten optischen System zusätzliche Effekte auf.
Dazu zählen insbesondere die Absorption innerhalb des Materials, Streuung durch Verunreinigungen oder Materialstrukturen sowie Verluste an beschädigten oder rauen Oberflächen.
Auch Materialübergänge, Einkoppelstellen und mechanische Krümmungen können die Lichtführung beeinflussen.
Wird ein Lichtleiter beispielsweise stark gebogen, können bestimmte Lichtanteile ihre geführten Ausbreitungsbedingungen verlieren und aus dem Material austreten.
Bei realen Lichtleitplatten kommt außerdem hinzu, dass die gezielte Lichtauskopplung selbst die verbleibende Lichtleistung entlang des Transportwegs reduziert.
Für die technische Bewertung sind deshalb sowohl die eigentlichen Grenzflächen als auch die optischen Eigenschaften des gesamten Materials entscheidend.
Die Zusammenhänge zwischen Lichtabsorption und Lichtdurchlässigkeit werden im Kapitel „Absorption und Transmission“ erläutert.
Bedeutung für die Planung moderner Beleuchtungssysteme
Die Kenntnisse über Lichtbrechung und Totalreflexion ermöglichen eine gezielte Gestaltung der Lichtverteilung und eine bessere Kontrolle optischer Verluste.
Dabei ist insbesondere das Zusammenspiel zwischen Lichtquelle, Material und Geometrie wichtig.
Effizienz und Lichtauskopplung
Jeder Materialübergang kann zu Reflexionsverlusten führen. Gleichzeitig kann eine ungeeignete Geometrie dazu führen, dass Licht unerwünscht innerhalb eines Bauteils verbleibt.
Durch abgestimmte Brechungsindizes, optimierte Oberflächen und geeignete Linsenformen lässt sich die nutzbare Lichtauskopplung verbessern.
Definierte Abstrahlcharakteristik
Lichtbrechung und Totalreflexion ermöglichen die gezielte Änderung der räumlichen Lichtverteilung.
Dadurch lassen sich beispielsweise eng bündelnde Strahler oder breit abstrahlende Optiken realisieren.
Entscheidend ist dabei nicht allein der Lichtstrom der eingesetzten LEDs, sondern auch die Verteilung dieses Lichtstroms über die verschiedenen Raumrichtungen.
Homogenität großflächiger Leuchten
Bei großflächigen Beleuchtungssystemen steht häufig die gleichmäßige Verteilung des Lichts im Vordergrund.
Insbesondere bei kantenbeleuchteten Lichtleitplatten müssen Lichttransport und Lichtauskopplung aufeinander abgestimmt sein.
Bei direkt hinterleuchteten Flächen wirken wiederum LED-Anordnung, Abstand zur Lichtaustrittsfläche, Reflexion, Transmission und Diffusion zusammen.
Für hochwertige Lichtdecken und vergleichbare flächige Beleuchtungssysteme reicht es deshalb nicht aus, ausschließlich die Lichtleistung der LED-Module zu betrachten.
Erst das abgestimmte optische Gesamtsystem bestimmt, welche Leuchtdichteverteilung, Homogenität und Lichtausbeute tatsächlich erreicht werden.
Häufig gestellte Fragen zur Lichtbrechung und Totalreflexion
Was versteht man unter Lichtbrechung?
Lichtbrechung ist die Änderung der Ausbreitungsrichtung von Licht beim Übergang zwischen Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Sie entsteht durch die Änderung der Phasengeschwindigkeit des Lichts im jeweiligen Material und lässt sich mit dem Snelliusschen Brechungsgesetz berechnen.
Was ist der Unterschied zwischen Lichtbrechung und Reflexion?
Bei der Lichtbrechung tritt Licht in ein anderes Medium ein und ändert dabei unter geeigneten Bedingungen seine Richtung. Bei der Reflexion wird Licht an einer Grenzfläche in das ursprüngliche Medium zurückgelenkt. An transparenten Grenzflächen treten beide Vorgänge häufig gleichzeitig auf.
Was ist der Grenzwinkel der Totalreflexion?
Der Grenzwinkel ist der Einfallswinkel, bei dem der gebrochene Lichtstrahl den Winkel von 90° zum Lot erreicht. Wird dieser Winkel beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium überschritten, tritt Totalreflexion auf.
Warum entsteht Totalreflexion nur beim Übergang in ein optisch dünneres Medium?
Nur bei diesem Übergang wird der Lichtstrahl vom Lot weg gebrochen. Mit zunehmendem Einfallswinkel erreicht der Brechungswinkel schließlich seinen Grenzwert von 90°. Darüber hinaus ist kein gewöhnlicher gebrochener Lichtstrahl mehr möglich, sodass das Licht vollständig reflektiert wird.
Ist Totalreflexion immer verlustfrei?
An einer idealen Grenzfläche zwischen verlustfreien Medien kann Totalreflexion ohne Verlust optischer Leistung erfolgen. Reale Lichtleiter können trotzdem Verluste durch Absorption, Streuung, Oberflächenfehler, Krümmungen und Materialübergänge aufweisen.
Welche Rolle spielt Totalreflexion bei LED-Leuchten?
Totalreflexion wird in der LED-Technik sowohl gezielt genutzt als auch konstruktiv berücksichtigt. TIR-Optiken können Licht ohne verspiegelte Seitenflächen lenken, während Lichtleitplatten Licht innerhalb transparenter Materialien transportieren. Gleichzeitig kann unerwünschte Totalreflexion die Auskopplung des im LED-Chip erzeugten Lichts begrenzen.
Weiterführende Inhalte
Physik des Lichts – Übersicht der physikalischen Grundlagen
Das elektromagnetische Spektrum – Einordnung sichtbaren Lichts in das elektromagnetische Spektrum
Reflexion von Licht – Reflexionsgesetz und Reflexionsverhalten von Oberflächen
Absorption und Transmission – Lichtaufnahme, Lichtdurchlässigkeit und optische Materialeigenschaften
Quellen und weiterführende Fachliteratur
OpenStax – University Physics, Volume 3
Physikalische Grundlagen der Lichtbrechung, des Snelliusschen Gesetzes und der Totalreflexion.
RP Photonics Encyclopedia
Vertiefende Darstellung der Totalreflexion, des Grenzwinkels und der elektromagnetischen Feldverteilung an Grenzflächen.
Edmund Optics
Technische Anwendung der Lichtbrechung und Totalreflexion in optischen Bauteilen.
Technische Universität Wien
Wissenschaftliche Darstellung unter anderem zur Lichtauskopplung aus LED-Strukturen und zur Bedeutung des Brechungsindex.