Was „genau“ passiert, wenn ein Strahl im kritischen Winkel einfällt?

Im Allgemeinen treten Reflexion und Brechung auf, wenn Licht von einem Medium in ein anderes übergeht. Sie können dies sehen, wenn Sie Ihr eigenes Spiegelbild in einem Fenster sehen. Wenn sich nun ein Lichtstrahl dem kritischen Winkel nähert, nähert sich nicht nur der gebrochene Strahl der Oberfläche, sondern auch die durchgelassene Lichtmenge wird immer geringer. Beim kritischen Winkel wäre der gebrochene Strahl entlang der Oberfläche, aber die Lichtmenge ist null.

Die folgende Grafik zeigt, wie viel Licht bei verschiedenen Einfallswinkeln reflektiert wird. Das Diagramm rechts zeigt Ihre Situation eines Lichtstrahls, der sich von einem dichten Medium zu einem leichteren Medium bewegt (z. B. Glas zu Luft). Beim kritischen Winkel werden 100 % des Lichts reflektiert, sodass sich nichts entlang der Oberfläche ausbreiten kann.

von http://en.wikipedia.org/wiki/Fresnel_equations

Lassen Sie mich etwas weiter gehen als die Antwort von @mark-h:

Das Verhalten von Licht an einer Grenzfläche wird durch die elektromagnetische Feldlösung der Helmhotlz-Gleichung beschrieben . Sie gibt die reflektierten und transmittierten elektrischen und magnetischen Komponenten als Funktion der Brechungsindizes der einfallenden und austretenden Medien an.

Aus diesen Lösungen können wir die Fresnel-Transmissions- und Reflexionskoeffizienten (vgl. Abbildungen in der Antwort von @Mark-H) als Funktion des Einfallswinkels ableiten. Sie beschreiben die Amplitude (und Phase) der reflektierten und transmittierten Strahlen.

Es gibt 2 Konsequenzen, die Sie interessieren könnten:

1. Licht wird nie zu 100 % übertragen. Es gibt immer ein gewisses Maß an Reflexion, selbst wenn der Einfallswinkel unterhalb des kritischen Winkels liegt. Bei der Luft-Glas-Grenzfläche werden etwa 4 % des Lichts bei normalem Einfall reflektiert (sehen Sie sich einfach Ihre Reflexion in einem Fenster an).
2. Oberhalb des kritischen Winkels wird das Phänomen Total Internal Reflection (TIR) ​​genannt. 100 % des Lichts wird reflektiert. Kein Licht übertragen bedeutet, dass es keine brauchbare Ausbreitungslösung für die Helmholtz-Gleichung im austretenden Medium gibt. ABER , es gibt immer noch ein EM-Feld, das durch die Schnittstelle geht. Es breitet sich einfach nicht aus und wird als evaneszent bezeichnet . Es existiert nur wenige Mikrometer von der Grenzfläche entfernt und zerfällt exponentiell (Wenn Sie mit partiellen Differentialgleichungen vertraut sind, hat die Lösung eine imaginäre Ausbreitungskonstante).

Auf mikroskopischer Ebene gibt es weitere Folgen, wie den Goos-Hanchen-Effekt : Die reflektierte Welle wird leicht parallel zur Oberfläche verschoben.

Das Phänomen der evaneszenten Welle wird in der Photonik häufig verwendet: Wellenleiterkopplung, Glasfaserübertragung, Ellipsometrie usw. Es ist im Wesentlichen dafür verantwortlich, dass Ihr Mikroprozessor funktioniert und Ihr Internet Ihr Zuhause erreicht :)

Wenn der Lichtstrahl senkrecht zur Oberfläche steht, wird die maximale Lichtmenge durchgelassen.

Wenn sich der Lichtstrahl wie in Ihrem Teil (b) biegt, wird ein Prozentsatz des Lichts durchgelassen (gebrochen) und der Rest reflektiert (im Einfallswinkel).

Ganz in der Nähe des kritischen Winkels$\theta_c - d\theta$, ebenso wird ein Teil des Lichts durchgelassen (fast tangential zur Oberfläche gebrochen) und ein Teil wird reflektiert. An diesem Punkt können Sie sich vorstellen, dass der Großteil des Lichts reflektiert wird und nur ein kleiner Prozentsatz des Lichts gebrochen wird.

Im kritischen Winkel$\theta_c$, obwohl der Brechungswinkel die Oberfläche tangiert, ist die Intensität tatsächlich 0, und das gesamte Licht wird reflektiert.

Über den kritischen Winkel hinaus$\theta_c + d\theta$, das gesamte Licht wird reflektiert.

Ebenso gibt es im umgekehrten Fall, weil die optische Dichte des Mediums umgekehrt ist, keine$\theta_c$. Bei$\theta < \frac\pi2$Ein Teil des Lichts wird durchgelassen (gebrochen) und ein Teil wird reflektiert. Bei$\theta = \frac\pi2$Das gesamte Licht wird im Winkel reflektiert$\frac\pi2$Die daraus resultierende Schlussfolgerung ist also, dass das Licht einfach in einer geraden Linie verläuft.