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Polarisator
Ein Polarisator ist ein Bauteil, das elektromagnetische Wellen, z. B. sichtbares Licht, mit einer bestimmten Polarisation aus nicht, teilweise oder anders …
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Begriff und Bedeutung
Ein Polarisator ist ein Bauteil, das aus unpolarisierten, teilweise polarisierten oder anders polarisierten elektromagnetischen Wellen eine Welle mit bestimmter Polarisation herausfiltert. Er kann beispielsweise sichtbares Licht beeinflussen. Ein Analysator ist ein Polarisator, mit dem vorhandene Polarisation festgestellt oder gemessen wird.
Linearpolarisatoren erzeugen linear polarisiertes Licht. Das Gesetz von Malus beschreibt quantitativ die Aufteilung linear polarisierter Strahlung in zwei Komponenten. Polarisatoren zur Erzeugung zirkular polarisierten Lichts heißen Zirkularpolarisatoren.
Zur Trennung der Polarisationen können Dichroismus beziehungsweise selektive Absorption, Reflexion, Doppelbrechung, Streuung und Beugung genutzt werden. Die Polarisation durch Streuung und Beugung wird im Artikel jedoch nicht weiter erläutert.
Grundprinzip
Ein Polarisator lässt nur Strahlung mit einer bestimmten Polarisationsrichtung am Ausgang austreten. Je nach physikalischem Prinzip wird der Anteil mit unpassender Polarisationsrichtung entweder zu einem zweiten Ausgang gelenkt oder vom Bauteil absorbiert.
Dichroische Polarisatoren
Ein dichroitischer Polarisator absorbiert die beiden Komponenten von linear polarisiertem Licht stark unterschiedlich: Eine Komponente wird stark absorbiert, die andere im Wesentlichen transmittiert, also durchgelassen.
Bei dichroitischen Kristallen hängt die Absorption von der Polarisationsrichtung im Verhältnis zur optischen Achse ab. Durch Drehen des Kristalls kann daher die durchgelassene Richtung ausgewählt werden. Da große Einkristalle teuer sind, wurden Folien als Alternative entwickelt. Edwin Herbert Land entwickelte um 1930 die J-Folie: parallel angeordnete, nadelförmige dichroitische Herapathit-Kristallite auf einer Folie.
Die H-Folie von Edwin Herbert Land aus dem Jahr 1938 besteht aus Polyvinylalkohol (PVA). Dessen konjugierte Ketten wirken als Chromophore, also lichtabsorbierende Strukturen. Durch Dotierung mit Jod entstehen bewegliche Löcher; dadurch verschiebt sich die Absorption für parallel zu den Ketten polarisiertes Licht vom UV-Bereich in den sichtbaren Bereich. Land richtete die zunächst ungeordneten Ketten aus, indem er die Folie in einer Richtung streckte. Heute werden auch Folien aus Zellulosehydrat verwendet.
Polarisationsprismen
Polarisationsprismen beruhen auf Doppelbrechung. In doppelbrechenden Materialien hängt der Brechungsindex von der Polarisation ab. Zueinander senkrecht polarisierte Lichtanteile werden deshalb unterschiedlich gebrochen, nehmen verschiedene Wege durch das Material und können getrennt werden.
Übliche doppelbrechende Polarisatoren sind Prismen vom Nicol-Typ, etwa das Nicol-Prisma, und Glan-Typ-Prismen, etwa das Glan-Thompson-Prisma. Glan-Typ-Prismen haben Nicol-Prismen in modernen Anwendungen wegen besserer Eigenschaften weitgehend verdrängt. Ältere Prismen wie das Rochon-Prisma lassen beide Polarisationen unter unterschiedlichen Winkeln austreten und wirken damit als Strahlteiler.
Je nach Anordnung der doppelbrechenden Kristalle erscheinen entweder beide Strahlen im Gesichtsfeld oder nur eine Polarisation. Beispiele mit beiden Polarisationen sind Hofmann-, Soret-, Wollaston-, Nomarski-, Rochon- und Sénarmont-Prisma. Zu den Prismen mit nur einer Polarisation gehören Nicol- und Glan-Typ-Prismen. Glan-Prismen zeichnen sich durch zur optischen Achse geschliffene Einfallsflächen aus. Das Feußner-Prisma erzeugt Polarisation durch eine dünne Schicht aus doppelbrechendem Material.
Reflexion und weitere optische Anwendungen
Trifft unpolarisiertes Licht unter dem Brewster-Winkel auf eine Glasplatte, ist der reflektierte Anteil linear polarisiert; seine Polarisation steht senkrecht zur Einfallsebene. Der transmittierte Anteil ist nur teilweise polarisiert. Durch mehrere hintereinander angeordnete Platten unter dem Brewster-Winkel kann auch dieser Anteil linear polarisiert werden; seine Polarisationsebene liegt parallel zur Einfallsebene.
Für elektromagnetische Wellen im Zentimeter- bis Mikrometerbereich eignen sich Drahtgitterpolarisatoren. Für die elektrische Polarisationskomponente parallel zu den Drähten wirken sie wie ein vollflächiger Metallspiegel, für die senkrechte Komponente wie ein durchsichtiger Isolator. Einfallendes, um 45° linear polarisiertes Licht kann durch Totalreflexion in einem Glaskörper spezieller Geometrie in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt werden, beispielsweise im fresnelschen Parallelepiped.
Polarisatoren sind für Flüssigkristallanzeigen von Computermonitoren und Mobiltelefonen unverzichtbar. Polarisationsmikroskope und Methoden der Spektroskopie untersuchen mit ihnen den Einfluss einer Probe auf die Polarisation. Zwei drehbar hintereinander angeordnete Polarisatoren können als variabler Abschwächer für unpolarisiertes Licht dienen. In Fotografie und Polarisationsbrillen werden unerwünschte Reflexionen etwa auf Gewässern oder Glasscheiben vermindert; Filter können außerdem das Blau des Himmels intensiver erscheinen lassen. Polarisatoren werden auch in Polarisationsmodulatoren eingesetzt.
Messung und Satellitenempfang
In der Polarimetrie werden Polarisatoren paarweise in Polarimetern eingesetzt. Über den Drehwert lässt sich der Gehalt oder die Reinheit einer optisch aktiven Substanz bestimmen.
In Satellitenempfangsanlagen ermöglicht ein Polarisator bei nur einem LNB-Erreger den Empfang von Frequenzen mit anderer elektromagnetischer Polarität (x/y). Er dreht das vom Satellitenspiegel konzentrierte elektromagnetische Feld stufenlos in die optimale Position. Dadurch sollen am LNB-Erreger größtmögliche Feldstärke und beste Kreuzmodulations-Entkopplung erreicht werden. Der Sat-Receiver gibt den gewünschten Drehwinkel, den Skew, durch analoge oder digitale Steuersignale vor.
Solche Polarisatoren eignen sich besonders für Sat-Drehanlagen, die je Satellitenposition eine stufenlose Polarisationsanpassung benötigen. Bei feststehenden Anlagen wurden sie heute durch kostengünstige LNB mit zwei integrierten Erregerantennen in x/y-Anordnung ersetzt. Es gibt mechanische Polarisatoren mit kleiner drehbarer Dipolantenne, magnetische Bauformen mit Spule, zirkularer Wellenführung und Ferritstab sowie mechanische Drehvorrichtungen, die das gesamte LNB drehen. Bei der magnetischen Technik kann ein Kanal einer Polarität empfangen und ein Kanal der anderen Polarität unterdrückt werden.
