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d_optikundatomphysik:polarisation [22 September 2014 14:10] – lead_optikundatomphysik:polarisation [21 October 2020 20:39] (current) – [Wellenverzögerer- $\lambda$-Plättchen] Link nach elearing der Uni-Frankfurt funktioniert nicht mehr knaak@iqo.uni-hannover.de
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 =====Polarisation===== =====Polarisation=====
  
-Polarisation beschreibt die Ausrichtung der Schwinungsrichtung einer Welle. Bringt man beispielsweise ein angebundenes Seil zum schwingen und stellt eine Wand mit einem senkrechten Spalt in den Weg. Dann wird das Seil hinter der Wand in einer Ebene mit dem Spalt schwingen. Das Seil ist nun senkrecht (zum Boden) polarisiert. 
  
-In der Phyik ist besonders die Polarisation von Licht von großer Bedeutung. Die Art und Richtung der Polarisation ist dabei immer auf die Ausrichtung des $\vec E$-Feldes bezogen. (Siehe [[d_optikundatomphysik:elektromagnetische_wellen|Elektromagnetische Wellen]].)+**Polarisation** ist eine Eigenschaft einer elektromagnetischen Welle. Sie beschreibt die **Schwinungsrichtung des elektrischen Feldes** (siehe [[d_optikundatomphysik:elektromagnetische_wellen|Elektromagnetische Wellen]]). Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen, das bedeutet, dass die Schwingungsrichtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle steht. Longitudinalwellen (z.B Schallwellen) schwingen in Ausbreitungsrichtung und können daher keine Polarisation haben.  
 + 
 +<WRAP group> 
 +<WRAP 33% right> 
 +{{:d_optikundatomphysik:polarizacio.jpg?300|}}  
 + 
 +Zátonyi Sándor, CC BY-SA 3.0,\\ 
 +https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20548095 
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 +{{:d_optikundatomphysik:brille.png?300|}} Polaroidbrillen filtern störende Reflexe heraus. 
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 +{{:d_optikundatomphysik:rising_circular.gif|}} 
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 +Zirkulare Polarisation. Von Averse - CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4849061 
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 +</WRAP> 
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 +__Ein Alltagsbeispiel__: 
 +Bringt man ein angebundenes Seil zum Schwingen und stellt eine Wand mit einem senkrechten Spalt in den Weg. Dann muss das Seil hinter der Wand in einer Ebene mit dem Spalt schwingen. 
 +Das Seil ist nun senkrecht (zum Boden) polarisiert. 
 + 
 +Im Praktikum wollen wir uns hauptsächlich mit der Polarisation von Licht beschäftigen. Das menschliche Auge kann zwar die Farbe (Wellenlänge bzw. Frequenz) und Intensität (Amplitude) des Lichts sehen, die Polarisation jedoch nicht. Um die Polarisation wahrzunehmen bedarf es an unterschiedlichen Hilfsmitteln (3D-Brille, Filter...). In der Natur kommt meistens unpolarisiertes Licht vor. Unpolarisiert nennt man eine elektromagnetische Welle, wenn das elektrische Feld Anteile in allen Schwingungsrichtungen hat, sprich eine Überlagerung aus allen Schwingungsrichtungen. Je weniger Schwingungsrichtungen vorhanden sind, umso stärker polarisiert ist die Welle - man spricht vom Polarisastionsgrad. Reflexionen an Oberflächen sind teilweise polarisiert oder im [[wpde>Brewsterwinkel]] sogar vollständig linear polarisiert.  
 + 
 +Bei der Polarisation unterscheidet man zwischen linearer, elliptischer und zirkularer Polarisation (siehe unten).  
  
 ====Lineare Polarisation==== ====Lineare Polarisation====
  
-Von linear polarisiertem Licht spricht man, wenn alle E-Feld Vektoren in einem Strahlenbündel in die gleiche Richtung zeigen. Die Formulierung "senkrecht" und "parallel" polarisiertes Licht ist stets auf den Versuchstisch bezogen und somit eine Sache der Definition.+ 
 +Bei linear polarisierte Wellen schwingt das elektrische Feld nur in einer Richtung. Man unterscheidet in p-Pol und s-Pol und bezeichnet damit die senkrecht bzw. parallele Schwingungsrichtung zur Einfallsebene des Lichts. Lineare Polarisation kann bei Reflexion entstehen oder mit einem Polfilter erzwungen werden (siehe unten). 
  
  
 ====Zirkular Polarisation==== ====Zirkular Polarisation====
  
-Bei dieser Art der Polarisation sind die E-Feld Vektoren von zwei Welle betragsmäßig gleich und haben eine Phasenverscheibung von genau $90^{\circ}$. Sie bilden eine Spirale, die sich um die z-Achse (Konvention) im Raum fortsetzt. Zirkular polarisiertes Licht ist der Speziallfall von elliptischer Polarisation, bei der die E-Feld Vektoren den genannten gleichen Betrag haben. Licht bei dem nur diese Phasenbeziehung besteht wird als elliptisch polarisiert bezeichnet. Die Drehrichtung der E-Feld Vektoren gibt an ob das Licht links-zirkular, also nach links drehend, oder aber rechts-zirkular ist.+Zirkulare Polarisation bedeutet nichts anderes, als dass sich der Vektor, welcher die Schwingungsrichtung angibt, kontinuierlich dreht. Er dreht sich genau auf einem Kreis und zusammen mit der Ausbreitungsrichtung scheint er so eine Spirale zu bilden (siehe GIF). 
 + 
 +//Wie genau macht er das?// 
 +Hier ist __keine__ geheimnisvolle Kraft am Werk - es ist eigentlich ganz einfach. Wir nehmen Licht mit zwei lineare Polarisationen die senkrecht aufeinander stehen und die gleiche Amplitude (Feldstärke) haben. Wir haben also zwei Vektoren von gleicher Länge die senkrecht aufeinander stehen. 
 +Nun lassen wir von links nach rechts bzw. von oben nach unten die Schwingung starten, allerdings startet die eine Schwingungsrichtung früher als die andere. Sie startet so viel früher, dass die Schwingungen exakt  $90^{\circ}$ phasenverschoben zueinander sind. Der neue Vektor der aus der Summe der beiden ursprünglichen Vektoren foglt, dreht sich also auf einem Kreis. Abhängig davon welche Schwingung (die oben - unten oder rechts - links) vorauseilt, nennt man das Licht entweder links-zirkular oder rechts-zirkular.  
 + 
 +Falls die Schwingungen unterschiedlich starke Feldstärken (Amplituden) haben oder sie nicht exakt $90^{\circ}$ phasenverschoben sind, entsteht aus der Summe nicht mehr ein Kreis, sondern eine Ellipse - man spricht von **elliptischer Polarisation**. 
 + 
 + 
 + 
 +====Polarisation erzeugen==== 
 + 
 +Die meisten Lichtquellen, wie Glühlampen und die Sonne strahlen unpolarisiertes Licht ab, haben also keine gerichtete Beziehung ihrer E-Feld  Vektoren. Mit Hilfe eines Polarisators oder Brewsterfenstern lässt sich dann eine Polarisation erzeugen. Trifft Licht unter dem [[wp>de:Brewsterwinkel]] auf eine Oberfläche, so wird nur ein senkrecht polarisierter Teil reflektiert, der Rest des Lichtes wird transmittiert. Andere Polarisatoren lassen aufgrund ihrer mikroskopischen Struktur nur eine bestimmte Schwingungsrichtung passieren.  
 + 
 +</WRAP> 
 +====Wellenverzögerer- $\lambda$-Plättchen====
  
-====Licht polarisieren====+Wichtige optische Bauteile sind die sogenannten Wellenverzögerer oder auch $\frac{\lambda}{n}$-Plättchen genannt.  
 +Dies sind meist doppelbrechende Kristalle, die dementsprechend für s-pol und p-pol Licht unterschiedliche Brechungsindizes haben und so abhängig von der Polarisation die unterschiedlichen "Anteile" einer elektromagnetischen Welle verzögern können.  
 +Man benennt die Wellenverzögerer nach ihrer optischen Dicke (Brechungsindex $\cdot$ Länge). $frac{\lambda}{2}$-Platte verzögern einen Polarisation dementsprechend um die Hälfte der Wellenlänge des Lichts und $frac{\lambda}{4}$-Platten um ein Viertel. Schauen wir nocheinmal das GIF von oben an, so bemerken wir, dass die Phasenverschiebung von $\circ{90}$ einem Gangunterschied von einer viertel Wellenlänge zwischen den beiden Polarisationen entspricht. 
  
-Die meisten Lichtquellen, wie Glühlampen und die Sonne strahlen unpolarisiertes Licht ab, haben also keine gerichtete Beziehung ihrer E-Feld  Vektroren. Mit Hilfe einer [[|Polarisationsfolie]] lässt sich dann eine Polarisation erzielen. Ein Laser hingegen erzeugt aufgrund seiener Funktionsweise linear polarisiertes Licht, welches sich mit einer $\frac{\lambda}{4}$-Platte in zirkualr-polarisiertes Licht drehen lässt. +$\frac{\lambda}{4}$-Platten erzeugen also zirkulare Polarisation und $\frac{\lambda}{2}$-Platten drehen die Polarisation.
  
-Um aus unpolarisiertem Licht polarisiertes zu machen, nutzt man meist einen Polarisationsfilter. Aber auch durch Reflexion kann dieses entstehen. Trifft Licht unter dem [[|Brewsterwinkel]] auf eine Oberfläche, so wird nur ein senkrecht polarisierter Teil reflektiert, der Rest des Lichtes wird transmittiert.