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Beispiele für Transversalwellen sind elektromagnetische Wellen, wozu auch Licht gehört, und Schallwellen in Festkörpern, wobei zu beachten ist, dass es neben den transversalen auch longitudinale Schallwellen in Festkörpern gibt.

Polarisation Elektromagnetischer WellenPolarisation elektromagnetischer Wellen

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.

Quelle: Wikipedia.

Überlagerung


Entstehung einer zirkularen Polarisation

 

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

  1. 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.
  2. 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.

 

 

Polarisiertes Licht

 

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.

 

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.

 

 

Erzeugung polarisierten Lichtes

 Mit Polarisationsfolien kann man aus den verschiedenen Lichtwellenzügen, deren SCHWINGUNGSEBENEN gleichmäßig über den Raum verteilt sind, solche auswählen, die nur in einer bestimmten Schwingungsebene schwingen. Man verwendet dazu Plastikfolien aus langgestreckten Molekülen, die durch Spannen parallel gerichtet werden.
 

Stehen bei zwei hintereinander geschalteten, so geformten Plastikfolien die Molekülachsen parallel, so kann das polarisierte Licht durch die zweite Folie durchdringen. Stehen sie aber normal (senkrecht) aufeinander, so wird das von der ersten Folie kommende polarisierte Licht durch die zweite Folie ausgelöscht.

 

Fällt ein Lichtwellenzug, der schräg zur Durchlass-Richtung des Polarisationsfilters schwingt, auf diesen auf, dann geht nur diejenige Komponente durch, die parallel zur Durchlassrichtung schwingt. Die senkrecht zur Durchlassrichtung schwingende Komponente wird absorbiert. Bei Licht-Wellen schwingt ein elektronischer Feldvektor.

 
 Polarisation von Licht
 Nicht polarisiertes Licht kann durch folgende vier Methoden polarisiert werden:

Polarisiertes Licht in der Natur

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. Der senkrecht zu dieser Ebene polarisierte Anteil wird transmittiert. Wird Licht im so genannten Brewster-Winkel reflektiert, so ist sogar vollständige Polarisation möglich. Polarisationsbrillen schirmen dieses polarisierte Licht ab, was beispielsweise beim Segeln wertvoll sein kann. Sie schützen aber nicht, sofern sie nicht zusätzlich abgedunkelt sind, vor Sonnenstrahlen (insbesondere nicht vor deren UV-Anteil). Das Gleiche gilt für Polarisationsfilter bei Fotoapparaten.

 

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 hertzscher Dipol.

 

Das (blaue) Streulicht der Sonne am Taghimmel ist teilweise linear polarisiert. Die Polarisierung kommt durch die Rayleigh-Streuung zustande. Die Polarisationsebene ist normal auf die von der Verbindungslinie vom Betrachter zur Sonne und der Blickrichtung aufgespannten Ebene.

 
 Technische Herstellung
 

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 Polarisationsfilter hindurchgelassen (ähnliche Schwingungsrichtungen gelangen abgeschwächt durch den Polarisationsfilter 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 (senkrecht) 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 ist dabei erstaunlich, dass ein dritter, um 45° gedrehter Filter zwischen dem ersten und dem zweiten die Auslöschung vermeidet: der nach dem ersten noch vorhandene Lichtanteil kann wieder zu einem Teil den zweiten Filter passieren, da dessen Polarisationsebene zum zweiten Filter ja nur um weitere 45° gedreht ist. 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 zuvor Auslöschung verursachten (also senkrecht aufeinander stehen).

 

Polfilter: Polarisationsfilter 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) sowie div. Prismen (z. B. das Nicol'sche Prisma) und eigene Polarisationsapparate.

 

Polarisation des Lichtes kann außerdem durch Streuung, Doppelbrechung und Reflexion hervorgerufen werden.

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 Müller-Matrix beziehungsweise einer jonesschen Matrix.

 

 


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