Polarisation

Polarisation ist eine Eigenschaft einer elektromagnetischen Welle. Sie beschreibt die Schwinungsrichtung des elektrischen Feldes (siehe 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.

Zátonyi Sándor, CC BY-SA 3.0,
https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20548095

Polaroidbrillen filtern störende Reflexe heraus.

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 Brewsterwinkel sogar vollständig linear polarisiert.

Bei der Polarisation unterscheidet man zwischen linearer, elliptischer und zirkularer Polarisation (siehe unten).

Lineare Polarisation

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

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 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 phasenverschoben sind, entsteht aus der Summe nicht mehr ein Kreis, sondern eine Ellipse - man spricht von elliptischer Polarisation.

Zirkulare Polarisation. Von Averse - CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4849061

Licht polarisieren

Die meisten Lichtquellen, wie Glühlampen und die Sonne strahlen unpolarisiertes Licht ab, haben also keine gerichtete Beziehung ihrer E-Feld Vektoren. Mit Hilfe einer Polarisationsfolie lässt sich dann eine Polarisation erzielen. Ein Laser hingegen erzeugt aufgrund seiner Funktionsweise linear polarisiertes Licht, welches sich mit einer $\frac{\lambda}{4}$-Platte in zirkualr-polarisiertes Licht drehen lässt.

Um aus unpolarisiertem Licht polarisiertes zu machen, wird meist ein Polarisationsfilter genutzt. Dies kann aber auch durch Reflexion entstehen. Trifft Licht unter dem Brewsterwinkel auf eine Oberfläche, so wird nur ein senkrecht polarisierter Teil reflektiert, der Rest des Lichtes wird transmittiert.