Polarisation

Eine Transversalwelle ist durch zwei Richtungen charakterisiert: Den Wellenvektor, der in Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Feldvektor, der bei Transversalwellen immer senkrecht auf dem Wellenvektor steht. Das lässt jedoch im dreidimensionalen Raum noch einen Freiheitsgrad offen, nämlich die Rotation um den Wellenvektor. Zeigt der Feldvektor nicht in eine beliebige Richtung, spricht man von Polarisation. Man unterscheidet drei Arten von Polarisation:

lineare Polarisation : Der Feldvektor zeigt immer in eine feste Richtung (beziehungsweise die Gegenrichtung dazu) und ändert bei Voranschreiten der Welle seinen Betrag periodisch mit einer vorgegebenen Amplitude.
zirkulare Polarisation: auch als drehende Polarisation bezeichnet: Der Feldvektor dreht sich bei Voranschreiten der Welle mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um den Wellenvektor und ändert seinen Betrag dabei nicht.
elliptische Polarisation : Der Feldvektor rotiert um den Wellenvektor und ändert dabei periodisch den Betrag. Die Spitze des Feldvektors beschreibt dabei eine Ellipse. Lineare und zirkulare Polarisation können auch als Grenzfälle der elliptischen Polarisation aufgefasst werden.

Linear

Zirkular

Elliptisch

Beispiele für Transversalwellen sind elektromagnetische Wellen (beispielsweise Licht) und Schallwellen in Festkörpern, wobei zu beachten ist, dass es neben den transversalen auch longitudinale Schallwellen in Festkörpern gibt. Zur Beschreibung der Polarisation der elektromagnetischen Wellen bezieht man sich üblicherweise auf das elektrische Feld und lässt das magnetische, das senkrecht auf dem elektrischen steht, außer Acht. In zirkularpolarisiertem Licht zeigen die Spins aller Photonen in die selbe Richtung. Dennoch kann auch ein einzelnes Photon linearpolarisiert werden, indem zwei entgegengesetzt zirkularpolarisierte Zustände überlagert werden.

Überlagerung

Jede beliebige Polarisation kann man als Überlagerung zweier Basispolarisationen darstellen. Am häufigsten verwendet man als Basis:

Zwei linear polarisierte Wellen deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen. Hiermit ergeben sich:
- beliebig gerichtete lineare Polarisationen bei verschwindender Phasendifferenz und variable Intensitäten.
- zirkulare Polarisation bei einem Phasenunterschied von π/2 und gleichen Intensitäten.
- elliptische Polarisation in jedem anderen Fall.
Eine rechts- und eine linkszirkulare Welle. Hiermit ergeben sich:
- beliebig gerichtete lineare Polarisationen bei gleichen Intensitäten und variabler Phasendifferenz.
- zirkulare Polarisation wenn eine der Basisamplituden verschwindet.
- elliptische Polarisation in jedem anderen Fall.

Unpolarisiertes Licht kann nicht durch Überlagerung kohärenter polarisierter Wellen erzeugt werden.

Erzeugung polarisierten Lichtes

Licht, das durch Glühemission erzeugt wird, beispielsweise Licht von der Sonne oder aus Glühlampen, ist unpolarisiert. Es lässt sich linear polarisieren, indem man es durch einen Linear-Polarisator schickt. Monochromatisches linearpolarisiertes Licht kann in einem λ/4-Plättchen (→Phasenverschieber) in zirkularpolarisiertes Licht umgewandelt werden.

Auch durch Reflexion an Glas, Wasser oder an einer Wandtafel wird Licht teilweise polarisiert. Dabei wird der in der Reflexionsebene polarisierte Anteil des Lichtes zum größeren Teil absorbiert, beziehungsweise transmittiert als der senkrecht zu dieser Ebene polarisierte Anteil. Wird Licht im so genannten Brewsterwinkel reflektiert, so ist sogar vollständige Polarisation möglich. Polarisationsbrillen schirmen dieses polarisierte Licht ab, was beispielsweise beim Segeln wertvoll sein kann. Sie schützen aber nicht vor Sonnenstrahlen, sofern sie nicht zusätzlich abgedunkelt sind. Das Gleiche gilt für Polarisationsfilter bei Fotoapparaten.

Das Licht eines Lasers ist in der Regel polarisiert. Die Polarisation kann jedoch instabil sein, so dass ein (Teil-)Polarisator (beispielsweise ein Brewsterfenster beim Helium-Neon-Laser) innerhalb des Resonators nötig ist um eine stabile und wohldefinierte Polarisationsrichtung sicherzustellen.

Auch durch Streuung (beispielsweise die Rayleigh-Streuung) kann Polarisation erzielt werden. Hierbei treffen die Lichtwellen auf Teilchen die viel kleiner sind als die Wellenlänge und regen diese zum Schwingen an. Es entsteht ein Hertz'scher Dipol.

Grundsätzlich unterscheidet man 3 Arten polarisierten Lichtes. 1. elliptisch polarisiertes Licht 2. zirkular polarisiertes Licht 3. linear polarisiertes Licht Die Punkte 2 und 3 sind jeweils Spezialformen des elliptisch polarisierten Lichtes. Die einfachste Art und Weise polarisiertes Licht herzustellen ist, ein Lichtbündel durch eine Polarisationsfolie fallen zu lassen. Hierbei wird genau 1 Schwingungsrichtung des Lichtes ausgefiltert und durch den Polfilter hindurchgelassen (ähnliche Schwinungsrichtungen gelangen abgeschwächt durch den Polfilter hindurch). Hinter der Polarisationsfolie tritt also linear polarisiertes Licht aus. Um totale Auslöschung hinter dem Polarisationsfilter zu erreichen muss man einen 2. Polfilter hinter den 1. einfügen und zwar so, dass die durchgelassene Schwingungsrichtung des Filters normal auf die des 1. Filters steht (also um 90° verdreht). Jetzt kommt keine Schwingungsrichtung des unpolarisierten Lichtes in Frage, das durch beide Polfilter hindurchdringen könnte. Der Raum hinter dem 2. Polarisationsfilter ist schwarz. Das Licht wurde ausgelöscht. Auf den ersten Blick erstaunlich ist dabei, dass ein dritter, um 45° gedrehter Filter zwischen dem ersten und dem zweiten die Auslöschung vermeidet: der nach dem zweiten noch vorhandene Lichtanteil kann wieder zu einem Teil den dritten Filter passieren, da dessen Polarisationsebene zum zweiten Filter ja nur um weitere 45° gedreht ist.

Polfilter: Polfilter bestanden früher (ca. Mitte des 20. Jh) aus Herapathitkristallen, heute stellt man sie aber großteils aus Polyvinylalkoholen oder Zellulosehydraten her. Andere Instrumente, die das Polarisieren von Licht ermöglichen, sind: das Viertelwellenplättchen (λ/4-Plättchen), das Halbwellenplättchen (λ/2-Plättchen) und div. Prismen (z. B. das Nicol'sche Prisma) und eigene Polarisationsapparate.

Polarisation des Lichtes kann weiters durch Streuung, Doppelbrechung und Reflexion hervorgerufen werden. Durch optisch aktive Stoffe (Flüssigkeiten: z. B. Glucoselösung, Kunststoffe: z. B. ein schnell abgekühltes Geo-Dreieck, Kristalle: z. B. Quarz) ist es möglich die Polarisationsebene zu drehen. So ist es z. B. möglich, eine Aufhellung durch einen optisch aktiven Stoff zu erreichen, wenn man diesen zwischen zwei Polfilter einfügt, die Auslöschung verursachen.

Erzeugung polarisierter Mikrowellen z. B. für den Satellitenfunk

Nachrichten- und Fernsehsatelliten nutzen entweder 2 verschiedene lineare Polarisationsebenen (horizontal / vertikal) oder 2 zirkulare Polarisationsrichtungen (links- oder rechtsdrehend), um die knappen, für den Satellitenfunk zur Verfügung stehenden Frequenzbänder besser ausnützen zu können.

Im Ku-Band (10,7 - 12,75 GHz) wird heute fast ausschließlich lineare Polarisation verwendet. Anfang der 1990er Jahre sollten allerdings reine Fernsehsatelliten zirkular polarisiert senden (siehe: BSS Band).
Im C-Band (3,7 - 4,2 GHz) sendeten dagegen bis vor kurzem fast alle Satelliten zirkular polarisiert, jedoch wird in letzter Zeit auch im C-Band lineare Polarisation häufiger verwendet.
Von der Merkursonde MESSENGER ist bekannt, dass ihre Antennen die Signale zirkular polarisiert im X-Band senden.

Linear polarisierte Mikrowellen werden dadurch erzeugt, dass der Sendedipol entweder "horizontal" oder "vertikal" ausgerichtet ist. Die so erzeugten Mikrowellen sind in der Ebene polarisiert, in der sich der Sendedipol befindet. Zum Empfang der linear polarisierten Signale muss sich der Empfangsdipol in der Ebene befinden, in der die zu empfangene Welle schwingt.

Radiowellen niederer Frequenzen werden fast immer polarisiert abgestrahlt. Die Art der Polarisierung hängt von der Ausrichtung der Antenne ab. Sender im UHF/VHF-Bereich arbeiten - von Mobilfunksendern abgesehen - im Regelfall mit horizontaler Polarisation, da hierbei weniger Störungen auftreten. Im Kurzwellenbereich sind sowohl horizontale wie auch vertikale Polarisation üblich. Sender im Längst-, Lang- und Mittelwellenbereich arbeiten fast durchweg mit vertikaler Polarisation, da diese eine bessere Ausbreitung der Bodenwelle ermöglicht.

Zirkularpolarisation wird für Rundfunkzwecke nur selten angewandt. Sie wird für Steilstrahlantennen im Mittelwellenbereich manchmal verwendet.

Analyse von polarisiertem Licht

Licht kann mit den gleichen Polarisatoren analysiert werden, mit denen man polarisiertes Licht herstellen kann. Man nennt die Polarisatoren ihrer Funktion entsprechend dann Analysatoren. Ein Linear-Polarisator-Analysator-Paar, deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinander stehen, lässt kein Licht hindurch. Es gibt jedoch Substanzen, die die Polarisationsebene drehen können (→optische Aktivität). D.h. wenn man diese Substanzen zwischen Polarisator und Analysator stellt, kann man die optische Aktivität vermessen. Einen solchen Aufbau nennt man Polarimeter.

Obwohl die Sonne unpolarisiertes Licht liefert, ist auch in der Natur teilpolarisiertes Licht zu beobachten. So ist beispielsweise das Streulicht des blauen Himmels linear teilpolarisiert und ebenso das an einer Wasseroberfläche reflektierte Licht. Viele Insekten nutzen diesen Effekt, um sich zu orientieren. Für die Honigbiene wurde dies von Karl von Frisch erforscht. In anderen Bereichen wie etwa der Fotografie sind von polarisiertem Licht erzeugte Effekte aber meist nicht erwünscht und können durch den Einsatz eines Polfilters unterdrückt werden.

Sichtbarkeit der Polarisation

Wilhelm Ritter von Haidinger (1795-1871) beschrieb zwischen 1844 und 1854 ein Kontrastphänomen, welches beim Betrachten einer mit polarisiertem weißem (oder bläulichem) Licht beleuchteten Fläche erscheint. Die blaue Achse der Erscheinung gibt die Richtung des elektrischen Feldes an, die gelbe Achse die des magnetischen Feldes. Nach einigen Sekunden verblasst die Erscheinung, wird aber durch eine Kopfdrehung wieder sichtbar.^* Die Erscheinung wird nach ihrem Entdecker Haidinger-Büschel genannt.

Mathematische Beschreibung der Polarisation

Der Polarisationszustand kann durch die vierdimensionalen reellwertigen Stokesschen Vektoren oder durch die zweidimensionalen komplexwertigen Jonesschen Vektoren beschrieben werden. Quasimonochromatisches Licht kann alternativ auch durch die Kohärenzmatrix beschrieben werden. Die Beschreibung der Wirkung eines polarisationsverändernden optischen Elementes erfolgt dann durch Multiplikation mit einer entsprechenden Müllermatrix beziehungsweise einer Jonesschen Matrix.

Weblinks

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