Wenn eine Welle an der Grenzfläche zu einem Medium mit größerem Brechungswinkel (bei Licht: niedrigerem Brechungsindex) vollständig reflektiert wird, spricht man von Totalreflexion. Dies geschieht immer dann, der der Einfallswinkel größer als der sog. Grenzwinkel der Totalreflexion ist (s. u.).
Die Totalreflexion wird technisch u. a. bei der praktisch verlustfreien Leitung von Lichtwellen in Glasfasern sowie bei der Leitung von Materiewellen genutzt, etwa bei Neutronenleitern.
Das Zustandekommen der Totalreflexion kann man sich folgendermaßen erklärne: Geht ein Lichtstrahl von einem optisch dichteren Medium 1 (Brechungsindex n1) in ein optisch dünneres Medium 2 über (Brechungsindex n1 < n2), so wird der in Medium 2 eindringende Teilstrahl vom Einfallslot weg gebrochen (Abb.). Ist der Einfallswinkel \(\alpha_\text e\) gleich einem vom Verhältnis der beiden Brechungsindizes abhängigen Grenzeinfallswinkel \(\alpha_\text g < 90°\), beträgt der Brechungswinkel genau 90°, d. h., der gebrochene Strahl verläuft exakt an der Grenzfläche. Bei noch größerem Einfallswinkel kann kein gebrochener, sondern nur noch der reflektierte Strahl auftreten. Die Größe des Grenzwinkels kann man aus dem Brechungsgesetz herleiten, wenn man \(\alpha_\text g\) als Einfallswinkel und 90° als Brechungswinkel wählt:
\(\begin{align} \dfrac{\sin\alpha_\text g}{\sin 90° } &= \dfrac{n_2}{n_1} \\ \alpha_\text g &= \arcsin \dfrac{n_2}{n_1} \end{align}\)
(arcsin ist der Arkussinus, also die Umkehrfunktion des Sinus).