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Die geometrische Optik beschreibt Licht als Strahlen, die an Grenzflächen reflektiert oder gebrochen werden, basierend auf der Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in verschiedenen Medien.
In der Geometrischen Optik (auch Strahlenoptik genannt) vernachlässigen wir die Wellennatur des Lichts und betrachten es als gerade Strahlen. Dies ist eine hilfreiche Vereinfachung, solange die Hindernisse und Öffnungen, auf die das Licht trifft, wesentlich größer als seine Wellenlänge sind.
Trifft ein Lichtstrahl auf eine glatte Oberfläche, tritt Reflexion auf. Das Reflexionsgesetz besagt, dass der Einfallswinkel (alpha) exakt dem Reflexionswinkel (alpha') entspricht. Wichtig ist hierbei, dass beide Winkel stets zum Einfallslot gemessen werden – einer gedachten Senkrechten, die an der Auftreffstelle auf der Oberfläche steht.
Wenn Licht von einem transparenten Medium in ein anderes übergeht (z. B. von Luft in Wasser), ändert es seine Richtung. Dieses Phänomen nennen wir Brechung (Refraktion). Ursache hierfür ist die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in verschiedenen Stoffen.
Der Brechungsindex (n) ist eine materialabhängige, dimensionslose Zahl, die angibt, um wie viel langsamer sich das Licht im Medium (v) im Vergleich zum Vakuum (c) bewegt (n = c/v). Da Licht im Vakuum am schnellsten ist, ist n für alle Materie immer größer als 1 (Luft ca. 1,0; Wasser ca. 1,33; Glas ca. 1,5).
Das Snelliussche Brechungsgesetz beschreibt die Richtungsänderung mathematisch: n1 * sin(alpha) = n2 * sin(beta). Beim Übergang vom optisch dünneren Medium (kleines n) in ein optisch dichteres Medium (großes n) wird der Lichtstrahl zum Lot hin gebrochen. Der Brechungswinkel ist also kleiner als der Einfallswinkel.
Umgekehrt wird der Strahl beim Übergang vom optisch dichteren ins dünnere Medium vom Lot weg gebrochen. Vergrößert man den Einfallswinkel in diesem Szenario immer weiter, erreicht man den Grenzwinkel. Wird dieser überschritten, tritt Totalreflexion ein: Das Licht kann das dichtere Medium nicht mehr verlassen und wird vollständig ins Innere zurückgeworfen.
In der Medizin wird die Totalreflexion in Lichtwellenleitern genutzt. In Endoskopen ermöglichen dünne Glasfasern den Transport von Lichtsignalen um Kurven herum tief in den Körper, da das Licht durch ständige Totalreflexion an den Innenwänden der Faser gefangen bleibt.
