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Polarisation
Die Polarisation einer Transversalwelle beschreibt die Richtung ihrer Schwingung. Man unterscheidet linear polarisierte Wellen, die eine räumlich und …
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Grundidee und Messung
Polarisation beschreibt bei einer Transversalwelle die Richtung ihrer Schwingung. Bei linear polarisierten Wellen bleibt diese Schwingungsrichtung räumlich und zeitlich fest. Bei zirkular oder elliptisch polarisierten Wellen ändert sie sich mit fester Winkelgeschwindigkeit. Ändert sich die Schwingungsrichtung schnell und ungeordnet, spricht man von einer unpolarisierten Welle.
Bei Longitudinalwellen, deren Schwingung in Ausbreitungsrichtung erfolgt, gibt es keine Polarisation im eigentlichen Sinn. Das gilt etwa für Schall in Luft. Schallwellen in Festkörpern können auch longitudinalen Charakter haben; dann wird von longitudinaler Polarisation gesprochen.
Die Untersuchung der Polarisation von Transversalwellen heißt Polarimetrie. Der Polarisationsgrad gibt den geordneten Anteil einer Welle an und wird mit Polarimetern gemessen. Bauelemente, die unpolarisiertes Licht polarisieren oder polarisiertes Licht abhängig von Polarisationsart und -richtung aufteilen beziehungsweise unterdrücken, heißen Polarisatoren.
Polarisationsarten und mathematische Beschreibung
Bei linearer Polarisation ist die Richtung der Schwingung konstant. Die Auslenkung ändert periodisch ihren Betrag und ihr Vorzeichen. Bei zirkularer Polarisation bleibt der Betrag der Auslenkung – abgesehen von Modulation – konstant, während sich ihre Richtung in der Ebene senkrecht zum Wellenvektor mit konstanter Winkelgeschwindigkeit ändert. Elliptische Polarisation ist die Mischform: Die Auslenkung beschreibt eine Ellipse. Für zirkulare Polarisation werden die Abkürzungen RHCP und LHCP für rechts- beziehungsweise linkshändige Polarisation verwendet. Die Bezeichnungen rechts und links sind in der Literatur, besonders in älteren Quellen, nicht einheitlich definiert.
Mathematisch bilden die Polarisationszustände von Wellen gleicher Wellenlänge und Frequenz einen 2-dimensionalen Vektorraum über den komplexen Zahlen. Amplitude A und Phase werden durch komplexe Faktoren wie A e^{-iωt} berücksichtigt. Als Basis können zwei entgegengesetzt zirkular polarisierte Zustände oder zwei beliebige linear polarisierte Zustände mit senkrechten Schwingungsebenen dienen. Ein zirkular polarisierter Zustand ist eine Überlagerung zweier synchroner, linear polarisierter Zustände mit senkrechten Schwingungsebenen. Umgekehrt entsteht ein linear polarisierter Zustand durch die Überlagerung zweier zirkular polarisierter Zustände mit gleicher Amplitude.
Für Überlagerungen gleicher Frequenz müssen Amplitudenverhältnis und Phasenlage angegeben werden. Bei der Überlagerung einer rechts- und einer linksdrehenden zirkular polarisierten Welle entsteht bei gleichen Intensitäten und variabler Phasendifferenz lineare Polarisation; ihre Richtung hängt von der Phasenlage ab. In jedem anderen Fall entsteht elliptische Polarisation. Bei zwei senkrecht zueinander linear polarisierten Wellen ist die resultierende Polarisation bei einer Phasendifferenz von null oder einem Vielfachen von π linear. Bei einer Phasendifferenz von π/2 und gleichen Amplituden ist sie zirkular, in allen anderen Fällen elliptisch.
Photonen können in Flugrichtung die Spinkomponenten +1 oder −1 besitzen; die Komponente Null kann nicht vorkommen. Diese beiden Möglichkeiten entsprechen den zirkularen Polarisationen. Lineare Polarisation entsteht durch die lineare Überlagerung beider zirkularer Zustände mit gleicher Amplitude; der Erwartungswert des Drehimpulses beträgt dann Null. Für Intensität und Polarisationsgrad dienen der vierdimensionale reellwertige Stokes-Vektor oder der zweidimensionale komplexwertige Jones-Vektor. Die Poincaré-Kugel stellt Polarisationszustände dar, wenn die absolute Intensität nicht interessiert. Quasimonochromatisches Licht kann außerdem durch eine Kohärenzmatrix beschrieben werden.
Elektromagnetische Wellen und ihre Bezeichnungen
Elektromagnetische Strahlung, also unter anderem Licht und Radiowellen, ist eine Transversalwelle. Der Wellenvektor k in Ausbreitungsrichtung sowie der elektrische Feldvektor E und der magnetische Feldvektor B stehen jeweils rechtwinklig zueinander. Als Polarisationsrichtung kann grundsätzlich die Schwingungsrichtung von E oder B gewählt werden; heute bezieht man sie meist auf E, weil die meisten Wechselwirkungen mit Materie elektrischer Natur sind.
Bei Brechung, Reflexion oder Streuung beziehen sich die Bezeichnungen parallel und senkrecht auf die Ebene, in der ein- und auslaufende Welle liegen. TM-polarisiertes Licht bedeutet, dass das magnetische Feld senkrecht zur Einfallsebene steht; es wird auch parallel-, p- oder π-polarisiert genannt. Beim TE-polarisierten Licht steht das elektrische Feld senkrecht zur Einfallsebene; dafür werden auch senkrecht-, s- oder σ-polarisiert verwendet. Beide Begriffe sind nur im Zusammenhang mit der reflektierenden Fläche definiert. Beim Brewster-Winkel wird TM-polarisiertes Licht verstärkt in das Medium gebrochen; das reflektierte Licht ist dann auch bei unpolarisiertem Einfall TE-polarisiert.
In der Laserspektroskopie werden zirkulare Polarisationen als σ+ und σ− bezeichnet. Sie bewirken bei atomaren Übergängen eine Änderung der magnetischen Quantenzahl m von +1 beziehungsweise −1. Linear polarisiertes Licht mit Δm = 0 heißt π-polarisiert. Bei zirkularer und elliptischer Polarisation unterscheidet man außerdem links- und rechtsdrehendes Licht nach der Drehrichtung des E- oder H-Vektors.
Thermische Strahlung ist zunächst überwiegend unpolarisiert. Durch Reflexion oder Streuung kann teilpolarisiertes Licht entstehen. Das blaue Himmelslicht ist gestreutes Sonnenlicht und bei einem Streuwinkel von 90° vollständig polarisiert; durch Mehrfachstreuung und Streuung an Partikeln ist Himmelslicht insgesamt jedoch nicht vollständig polarisiert. Viele Insekten unterscheiden linear polarisiertes Licht und nutzen es zur Orientierung. Dazu sind auch Fangschreckenkrebse, Wasserwanzen, Große Mausohren, Wüstenameisen und Menschen mit sehr geringem Kontrast beim Haidinger-Büschel-Phänomen fähig.
Rundfunk-Funkwellen sind meist horizontal oder vertikal polarisiert, wobei der elektrische Feldvektor maßgeblich ist. Punkt-zu-Punkt-Verbindungen und Satellitenkommunikation verwenden häufig Zirkularpolarisation. Sender- und Empfangsantenne müssen dabei denselben Drehsinn haben. Horizontale Polarisation wird im VHF- und UHF-Bereich genutzt; auf Kurzwelle ermöglicht sie bessere Reflexion an der Ionosphäre.
Erzeugung von polarisiertem Licht
Natürliches Licht ist in der Regel unpolarisiert. Polarisiertes Licht kann durch Reflexion, durch Brechung an bestimmten Materialien oder durch Polarisationsfilter und Polarisationsfolien erzeugt werden.
Vollständige Polarisation durch Reflexion tritt unter den Bedingungen des Brewsterschen Gesetzes auf. Das reflektierte Licht ist linear polarisiert, wenn der Winkel zwischen reflektiertem und gebrochenem Strahl genau 90° beträgt. Der elektrische Feldvektor des reflektierten Lichts schwingt dann senkrecht zur Einfallsebene. Das in das andere Medium eintretende Licht ist ebenfalls linear polarisiert; sein elektrischer Feldvektor schwingt in der Einfallsebene. Wird die Bedingung von 90° nicht erfüllt, entsteht nur teilweise Polarisation.
Kristalle wie Kalkspat, Turmalin, Quarz und Glimmer können Licht durch Doppelbrechung linear polarisieren. Dabei wird Licht abhängig von seiner Schwingungsrichtung unterschiedlich gebrochen. Die beiden Strahlen sind jeweils linear polarisiert. Bei Kalkspat ist der ordentliche Strahl senkrecht zur Einfallsebene polarisiert, der außerordentliche Strahl senkrecht dazu. Solche Kristalle sind optisch anisotrop, besitzen also je nach Richtung unterschiedliche optische Eigenschaften.
Polarisationsfilter und Polarisationsfolien nutzen parallel angeordnete Kohlenstoffketten oder nadelförmige Herapathit-Kristalle. Ein idealer Filter lässt nur die Lichtkomponente durch, die parallel zu seiner optischen Achse schwingt; die senkrechte Komponente wird absorbiert. Daher nimmt die Intensität beim Durchgang ab. Laserlicht ist wegen polarisierender Bauteile im Resonator, etwa schräger Umlenkspiegel und Brewster-Fenster, meistens linear polarisiert. Bei Halbleiterlasern trägt auch die geringe Höhe des Resonators dazu bei.
Veränderung der Polarisation und Anwendungen
Ideale Verzögerungsplatten können eine vorhandene Polarisation ändern, ohne den Strahl abzuschwächen, abzulenken oder zu versetzen. Sie verzögern eine Polarisationskomponente gegenüber der dazu orthogonalen Komponente. Ein λ/4-Plättchen, auch Zirkularpolarisator genannt, wandelt linear polarisiertes Licht in zirkular oder elliptisch polarisiertes Licht um und kann umgekehrt zirkular polarisiertes Licht linear polarisieren. Ein λ/2-Plättchen dreht die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht.
Optisch aktive Materialien, Flüssigkeiten oder Festkörper können die Polarisationsrichtung des durchgehenden Lichts drehen. Eine linear polarisierte Welle kann dabei als zwei entgegengesetzt umlaufende zirkular polarisierte Wellen verstanden werden, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten. Beim Austritt überlagern sie sich wieder zu einer linear polarisierten Welle, deren Ebene entsprechend der Phasenverschiebung gedreht ist. Optische Aktivität kann natürlich auftreten oder durch ein äußeres Magnetfeld über den Faraday-Effekt erzeugt werden, etwa in einem Faraday-Rotator.
In Flüssigkristallen mit gedreht-nematischer Phase folgt die Schwingungsebene des Lichts der Orientierung der linear angeordneten Moleküle. Eine angelegte elektrische Spannung verändert den Grad der Richtungsänderung. Ein nachfolgender Analysator setzt diese Änderung in unterschiedliche Helligkeitswerte um; darauf beruht die Anwendung in Flüssigkristallanzeigen.
Polarisation wird in der Polarimetrie zur Bestimmung des Zuckergehalts von Lösungen eingesetzt, insbesondere in Pharmazie und Zuckerindustrie. In der Bildverarbeitung können Polarisatoren Glanzeffekte und intensive Lichtflecke verringern, den Kontrast erhöhen und Oberflächenfehler oder verborgene Strukturen sichtbar machen. Weitere Anwendungen sind spezielle Antennen in der Funktechnik sowie polarisierte Photonen zur Kodierung und Übertragung von Quanteninformation und zum Quantenschlüsselaustausch.
Historischer Überblick
Étienne Louis Malus stellte 1808 bei Untersuchungen am Kalkspat fest, dass Licht seine Symmetrie um die Fortpflanzungsrichtung verlieren kann, und nannte diese Eigenschaft Polarisation. 1809 veröffentlichte er Untersuchungen zur Polarisation durch Reflexion, 1810 seine Theorie der Doppelbrechung und das Gesetz von Malus.
David Brewster entdeckte 1814, dass bei einem bestimmten Einfallswinkel reflektiertes Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist. Um 1817 untersuchte François Arago die Interferenz polarisierten Lichts und erkannte die Drehung der Polarisationsebene in Quarz. Zusammen mit Thomas Young schloss er daraus, dass Licht aus zwei senkrecht zueinander orientierten Transversalwellen bestehen musste.
William Nicol entwickelte 1828 das nach ihm benannte nicolsche Prisma aus Kalkspat. Arago ließ 1841 ein Cyanopolarimeter anfertigen. Eilhard Mitscherlich konstruierte 1844 einen Polarisationsapparat, der unter anderem zur Zuckerbestimmung im Harn diente. Vorformen des Polarimeters wurden von Jean Baptiste Soleil, Josef Pohl und Heinrich von Wild entwickelt. Die Zusammenarbeit von Karl Ventzke mit einem Hersteller optischer Geräte führte 1890 zu einer wirksamen Saccharosemesstechnik, die den Zusammenhang zwischen der optischen Rotation von Quarz und Saccharose nutzte.
