Polarisation

Polarisation:
1. Einleitung:
Licht besteht aus elektromagnetischen Wellen (Transversalwellen). Elektrischer und
magnetischer Feldvektor stehen dabei senkrecht auf die Ausbreitungsrichtung und variieren
völlig regellos. Bei der Polarisation wird nur der elektrische Feldvektor betrachtet.
Polarisiertes Licht kann durch Absorption, Reflexion, Streuung und Doppelbrechung
entstehen. Man unterscheidet linear, zirkular und elliptisch polarisiertes Licht. Linear
polarisiertes Licht erhält man bei Absorption, Reflexion und Streuung, zirkular polarisiertes
Licht bei Doppelbrechung.
1.1. Elliptisch polarisiertes Licht:
Ist der allgemeinste Fall. Sowohl linear, als auch zirkular polarisiertes Licht sind Spezialfälle
von polarisiertem Licht. Die Spitze des elektrischen Feldvektors umläuft dabei eine
Ellipsenkurve. Die elliptische Polarisation erhält man durch Überlagerung zweier zueinander
senkrecht linear polarisierter Wellen unterschiedlicher Amplituden, die eine
Phasenverschiebung α aufweisen.
Abbildung 1:
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1.2. Zirkular polarisiertes Licht:
Hierbei handelt es sich ebenfalls um zwei sich überlagernde Wellenzüge, deren
Polarisationsebenen aufeinander senkrecht stehen und die zueinander eine
Phasenverschiebung π/2 aufweisen. Je nach Drehsinn unterscheidet man linkszirkular
polarisierte und rechtszirkular polarisierte Wellen.
Abbildung 2:
1.3. Linear polarisiertes Licht:
Von linear polarisiertem Licht spricht man, wenn der Vektor der elektrischen Feldstärke nur
in einer Ebene schwingt.
Abbildung 3:
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2.Geschichte:
Christian Huygens und Thomas Young fassten Lichtwellen als longitudinale Wellen auf.
Damals glaubte man, dass das ganze Universum vom Äther erfüllt sei und er daher
Eigenschaften einer feinen Flüssigkeit oder eines dünnen Gases und nicht die eines festen
Körpers haben musste. Da sich einerseits in Flüssigkeiten und Gasen wegen der fehlenden
Querkräfte keine Transversalwellen ausbreiten können und andererseits man bei
Untersuchungen keine „Seitlichkeit“ von Lichtwellen beobachtet hatte, kamen sie zu diesem
Entschluss.
Erst der französische Physiker Etienne Louis Malus entdeckte 1808, dass Licht unter
gewissen Umständen seine Symmetrie und Fortpflanzungsrichtung einbüßt und sehr wohl
„Seitlichkeit“ aufweist und benannte sie „Polarisation“. Daraus folgte aber, dass Lichtwellen
keine longitudinalen Wellen sein konnten!
3. Erzeugung von linear polarisiertem Licht:
Linear polarisiertes Licht wird durch Absorption, Reflexion und Streuung erzeugt.
3.1. Polarisation durch Absorption:
Abbildung 4:
Die zwei Polarisationsfolien in „paralleler“ (links) und „gekreuzter (rechts) Stellung.
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3.1.1 Herstellung von Polarisationsfiltern:
Um Polarisationsfilter herzustellen werden die Molekülketten einer Kunststofffolie durch
Strecken/Dehnen in Längsrichtung parallelisiert, wodurch eine Vorzugsrichtung entsteht.
Diese Vorzugsrichtung oder auch Transmissionsachse steht senkrecht auf die parallelen
Molekülketten. Denn in die parallel zu den Molekülketten stehenden elektrischen
Feldvektoren eines einfallenden Lichtstrahls, werden elektrische Ströme induziert und die
Lichtenergie wird absorbiert. Stehen die elektrischen Feldvektoren aber senkrecht auf die
Molekülketten wird das Licht durchgelassen.
3.1.2. Polarisation durch Absorption an Filtern:
Schickt man nun Licht durch einen Polarisator, so wird nur die Komponente durchgelassen,
die parallel zur Vorzugsrichtung schwingt. Die Komponente, die senkrecht darauf steht wird
absorbiert. Schickt man das polarisierte Licht durch einen zweiten Polarisator, so kann man
überprüfen, wie der Erste ausgerichtet war. Deshalb wird der zweite Polarisator auch
Analysator genannt. Denn es herrscht Helligkeit, wenn die Transmissionsachsen der zwei
Polarisatoren parallel zu einander sind und es herrscht Dunkelheit, wenn die
Schwingungsrichtung des polarisierten Lichtes nach dem ersten Polarisator senkrecht zur
Vorzugsrichtung des zweiten Polarisators steht und deshalb absorbiert wird. Steht der zweite
Polarisator schräg zum ersten, so kann man sich den Wellenzug in zwei Komponenten zerlegt
vorstellen, die eine parallel und die andere senkrecht zur Vorzugsrichtung. Wieder wird die
parallel schwingende Komponente durchgelassen und die senkrecht schwingende absorbiert.
Dadurch wird die Amplitude nach dem Analysator verringert.
Abbildung 5:
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Hat das elektrische Feld des durchgelassenen Strahls nach dem ersten Filter, dessen
Transmissionsachse parallel zur x-Achse steht, die Amplitude E1 und wird dieser durch einen
weiteren Filter geschickt, der mit der Transmissionsachse des ersten Filters einen Winkel θ
einschließt, gilt für die Feldkomponente parallel zur Transmissionsachse Ep = E1 cos θ und für
die Komponente senkrecht zur Transmissionsachse Es = E1 sin θ. Die zweite Folie absorbiert
Es und lässt Ep durch.
Abbildung 6:
3.1.3. Anwendung:
Verwendung finden diese Polarisationsfilter zum Beispiel im Kino. Um den 3D-Effekt zu
erhalten projiziert man einen Film mit zwei Projektoren, die mit auf einander normal
stehenden Polarisationsfilter ausgestattet sind, auf eine Leinwand. Betrachtet man diesen Film
mit Brillen, bei der die jeweiligen Gläser ebenfalls mit auf einander normal stehenden
Polarisationsfiltern versehen sind, so entsteht der räumliche Eindruck.
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3.2. Polarisation durch Reflexion an durchsichtigen Körpern:
Auch hier kann Licht das rotationssymmetrische Verhalten um die Ausbreitungsrichtung bei
Reflexion an einer Glasplatte verlieren. Betrachtet man den reflektierten Strahl durch einen
Filter, kann man die Schwingungsrichtung feststellen. Am Effektivsten wird der reflektierte
Lichtstrahl polarisiert, wenn der Einfallswinkel 57° beträgt und die Durchlassrichtung der
Folie senkrecht auf die Reflexionsebene steht. In diesem speziellen Fall ist der reflektierte
Lichtstrahl maximal linear polarisiert und schwingt senkrecht zur Reflexionsebene.
Abbildung 7:
Wenn das Licht so auf eine durchsichtige Fläche fällt, dass der reflektierte Strahl senkrecht
auf den gebrochenen Strahl steht, dann ist der reflektierte Strahl maximal linear polarisiert.
Man nennt diesen Winkel Polarisations- oder Brewster Winkel, da dieser vom
Wissenschaftler und Erfinder David Brewster entdeckt wurde. Wird nun einfallendes Licht,
das in diesem Winkel auf die Oberfläche fällt, reflektiert, so stehen reflektierter und
gebrochener Strahl auf einander normal. Dreht man die Polarisationsfolie jedoch um 90°, so
kann das Licht die Folie nicht mehr durchqueren, da es vollständig absorbiert wird (vgl.
Polarisator und Analysator).
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Will man den Brechungswinkel berechnen, so kann man das Snellius´sche Brechungsgesetz
folgendermaßen anwenden: sin α / sin β = n oder sin 57° / sin β = 1,53 oder β.
Dabei ist n = n2 / n1.
3.2.1. Anwendung:
Mit dieser Entdeckung können nun störende Reflexionen (z.B. Reflektiertes Sonnenlicht auf
Seen) mit Polarisationsfiltern weitgehend aufgehoben werden. Da das reflektierte Licht
hauptsächlich horizontal schwingt, werden Sonnenbrillen hergestellt, die mit vertikalen
Filtern ausgestattet sind und deshalb das meiste reflektierte Licht absorbieren. Davon wird
auch in der Fotografie Gebrauch gemacht.
3.3. Polarisation durch Streuung (Richtungsänderung):
Bei der Polarisation durch Streuung betrachtet man natürliches Licht, dass auf ein Molekül
oder auf ein dielektrisches Teilchen fällt. Ist deren Durchmesser klein gegenüber der
Wellenlänge, so wird das Licht gestreut, da es aufgrund der Lichtenergie zu Schwingungen
angeregt wird. Dadurch strahlen die Teilchen wieder Licht derselben Frequenz ab. Bei
unpolarisiertem, einfallendem Licht ist die Feldrichtung willkürlich, sodass auch die
Dipolschwingungen eine beliebige Richtung senkrecht zur Einfallsrichtung aufweisen.
Entlang der Schwingungsachse wird kein Licht abgestrahlt, sondern nur senkrecht zur
Dipolachse. Dieses Licht ist parallel zur Dipolachse linear polarisiert (zu 100%). Die Stärke
des Streuprozesses hängt von der Wellenlänge (Frequenz) ab.
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Abbildung 8:
3.3.1. Anwendung bzw. Beispiel:
Ein Beispiel dafür ist das Himmelsblau und das Morgen- bzw. Abendrot. Das Sonnenlicht
besteht aus allen Farben des Regenbogens. Jede Farbe hat eine andere Wellenlänge. Trifft nun
das Sonnenlicht auf die Moleküle der Atmosphäre (Dichte nimmt nach unten hin zu => der
Lichtstrahl wird zum Lot gebrochen, da es vom optisch dünneren Medium in ein optisch
dichteres gelangt), ändert es seine Richtung (Richtungsänderung = Streuung). Rot hat eine
größere Wellenlänge als blau. Deshalb wird der rote Anteil weniger stark gestreut als der
blaue Anteil. Ist der Sonnenstand hoch, so ist der Weg durch die Atmosphäre kurz. Es wird
daher hauptsächlich blaues Licht gestreut. Steht die Sonnen tief, so ist der Weg durch die
Atmosphäre länger. Dabei wird ein großer Anteil des blauen Lichtes „weggestreut“, dass der
Himmel rot wirkt.
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4. Erzeugung von zirkular polarisiertem Licht:
Zirkular polarisiertes Licht wird durch Doppelbrechung erzeugt.
4.1. Polarisation durch Doppelbrechung:
Abbildung 9:
Kristalle sind wegen ihres Gitteraufbaus mit bestimmten Symmetrielinien anisotrop, das heißt ihre
physikalischen Eigenschaften sind richtungsabhängig. Lichtgeschwindigkeit und Brechungsindex sind
hier je nach Schwingungsrichtung verschieden. Ein Lichtstrahl wird von einem Kristall in zwei Strahlen,
den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl, aufgespalten. Diese Eigenschaft nennt man
doppelbrechend.
Abbildung 10:
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Der ordentliche Strahl folgt dem Snellius’schen Brechungsgesetz, der außerordentliche hingegen nicht.
Er ändert auch bei senkrechtem Einfall auf die Kristalloberfläche seine Richtung.
Nach dem Durchgang durch den doppelbrechenden Kristall verlaufen beide Strahlen wieder parallel,
aber seitlich versetzt. Zudem sind beide Strahlen linear polarisiert, ihre Schwingungsebenen stehen
senkrecht zueinander. Gelingt es einen der beiden Strahlen zu entfernen, so erhält man linear
polarisiertes Licht.
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