Nehmen wir den Fall des Auffallens einer optischen Strahlung auf eine Schnittstelle von zwei Medien. Das Licht breitet sich im ersten Medium aus (Durchlicht) und reflektiert sich auf der Schnittstelle der beiden Medien (Auflicht). Das Durchlicht wird gebrochen. Die mit den Richtungen des Durchlichts, des gebrochenen Lichts und des Auflichts assoziierten Winkel sind auf dem Bild 2 angezeigt.
Der Einfallswinkel φ1 ist gleich dem Reflexionswinkel φ3.
Refraktion (Lichtbrechung) ist die Änderung der Lichtrichtung, wenn das Licht in ein Material mit einem anderen Brechungsindex n übergeht.
Das Snelliussche Gesetz definiert die Beziehung zwischen Sinus des Einfallswinkels und Sinus des Brechungswinkels und Brechungsindexen der Medien wie folgt:
Für Winkel, die größer als der kritische Winkel sind, kann man TIR (Totalreflexion, engl. total internal reflection) beobachten [5]. Dieser kritische Winkel φ1c gilt für φ2=90º.
Falls das Licht auf die Schnittstelle zwischen zwei Medien unter einem Winkel auffällt, der größer als dieser kritische Winkel ist, wird es ins zweite Medium gar nicht durchgehen. Stattdessen wird das ganze Licht zurück ins erste Medium reflektiert. Dieser Vorgang ist als TIR bekannt. Dieses Prinzip findet seine Anwendung in traditionellen Wellenleitern wie Lichtwellenleitern und ist auf dem Bild 3 angezeigt.
Das Licht von verschiedenen Frequenzen breitet sich durch ein Medium mit verschiedenen Geschwindigkeiten aus. Darüber hinaus hängt der Brechungsindex von der Wellenlänge ab. Deswegen gibt es Dispersion in dem Medium.
Unter Dämpfung versteht man einen Verlust der optischen Leistung. Die Hauptgründe der Dämpfung stellen Absorption und Streuung dar, die den Verlust der Energie in der Ausbreitungsrichtung zur Folge haben. Unter der spezifischen Dämpfung versteht man einen Leistungsverlust in dB pro Längeneinheit. Die spezifische Dämpfung hängt von der Wellenlänge der Ausstrahlung durchs Medium ab. Der Dämpfungskoeffizient α wird mit der folgenden Gleichung definiert:
wobei P(0) die Anfangsleistung oder Einfallsleistung und P(L) die Leistung in der Entfernung L vom Anfangspunkt sind.
Nehmen wir einen Lichtstrahl in einem Medium mit Brechungsindex von n1 = 1,44, der auf ein zweites Medium mit Brechungsindex von n2 = 1,4 auffällt. Die Wellenlänge des Lichts beträgt 1,1 µm.
Berechnen Sie den Einfallswinkel, um TIR zu erzielen.
Snelliussches Gesetz:
Der kritische Winkel φ1c entsteht unter φ2=90 º, daher