Polarisation

Polarisation Physik

Licht kann auf unterschiedlichem Weg in Dein Auge treffen – etwa direkt von der Strahlungsquelle oder durch Reflexion an einer Oberfläche. Dass Du Objekte überhaupt sehen kannst, wird unter anderem durch Reflexion verursacht. Reflexion erschwert es allerdings auch in der Regel, dass Du Kontraste gut wahrnehmen kannst.

Wenn Du versuchst, durch eine Wasseroberfläche Fische zu beobachten, dann merkst Du, dass die Sicht auf die Fische durch Spiegelungen erschwert wird. Auch in der Fotografie hast Du mit Reflexion zu kämpfen, wenn Du Fenster oder andere spiegelnde Oberflächen fotografieren möchtest. Für diese Probleme gibt es allerdings auch eine Lösung, die auf der Polarisation von Licht basiert.

Polarisation von Licht

Licht kannst Du Dir einerseits als Strahl und andererseits als elektromagnetische Welle vorstellen.

Um Polarisation zu erklären, betrachtest Du Licht als elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen setzen sich dabei aus einem elektrischen (E-Feld) und einem magnetischen Feld (B-Feld) zusammen, die senkrecht zueinander schwingen:

Die Schwingung erfolgt stets senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, kann aber im Raum unterschiedlich orientiert sein. So muss das elektrische Feld nicht zwangsläufig entlang der x-Achse, sondern kann auch entlang der y-Achse oder beliebig in der x-y-Ebene schwingen.

Polarisation Definition

Wie die Schwingung letztlich räumlich orientiert ist, wird durch die Polarisation angegeben.

Dabei sind unterschiedliche Polarisationsarten möglich.

Polarisation elektromagnetischer Wellen

Licht, welches uns von der Sonne aus erreicht oder das, was aus der Glühbirne Deiner Tischlampe kommt, ist unpolarisiert. Das bedeutet, dass die austretenden Wellen willkürlich in alle Raumrichtungen schwingen:

Wird wiederum nur eine Polarisationsrichtung bevorzugt, so sprichst Du von linearer Polarisation.

Lineare Polarisation

Linear polarisiertes Licht zeichnet sich durch eine konstante Schwingungsrichtung aus. Die Schwingung kann beispielsweise entlang der y-Achse erfolgen:

Zur Vereinfachung kannst Du die Polarisationsrichtung auch in der x-y-Ebene darstellen. Bei der linearen Polarisation entspricht sie dem Vektor des elektrischen Feldes, der sich entlang einer Achse auf und ab bewegt.

Zirkulare und elliptische Polarisation

Dreht sich die Schwingungsrichtung des elektromagnetischen Feldes hingegen mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit, so sprichst Du vom zirkular polarisierten Licht.

Das elektrische Feld einer zirkular polarisierten Lichtwelle rotiert um die Achse herum, entlang der sich die Welle ausbreitet. Schaust Du dabei auf die x-y-Ebene, so bewegt sich der elektrische Feldvektor entsprechend auf einem Kreis.

Neben der linearen und der zirkularen Polarisation gibt es auch die elliptische Polarisation. Diese kannst Du Dir wie die zirkulare Polarisation vorstellen – mit dem Unterschied, dass sich der elektrische Feldvektor nicht auf einem Kreis, sondern auf einer Ellipse bewegt. Das elektrische Feld rotiert also ebenfalls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung – allerdings nicht kreis-, sondern ellipsenförmig.

Doch wie kommt es zu diesen unterschiedlichen Polarisationsarten?

Entstehung vom polarisierten Licht

Licht kann durch die Überlagerung mehrerer elektromagnetischer Wellen polarisiert werden. Um welche Art von Polarisation es sich dabei handelt, kommt ganz auf die Phasenverschiebung der überlagernden Wellen an:

Sofern keine Phasenverschiebung stattfindet, überlagern sich zwei Wellen zu einer linear polarisierten Gesamtwelle. Dabei spielt es keine Rolle, welche Amplituden die einzelnen Wellen haben – denn diese addieren sich einfach durch konstruktive Interferenz.

Bei einer beliebigen Phasenverschiebung überlagern sich Wellen unterschiedlicher Amplitude zu einer Gesamtwelle, die elliptisch polarisiert ist. Die Kombination aus Phasenverschiebung und unterschiedlichen Amplituden trägt nämlich dazu bei, dass der elektrische Feldvektor an unterschiedlichen Stadien der Ausbreitung unterschiedlich lang ist. Damit ergibt sich die Ellipse, auf welcher er sich bewegt.

Liegt wiederum eine Phasenverschiebung von genau \(\frac{\lambda}{4}\) vor und sind die Amplituden der überlagernden Wellen gleich groß, so ist die sich ergebende Welle zirkular polarisiert.

Die Phasenverschiebung – und somit die unterschiedlichen Polarisationsarten – können durch unterschiedliche Polarisationsmechanismen entstehen.

Polarisationsmechanismen

Licht kann etwa durch Reflexion oder durch Streuung polarisiert werden. Zweiteres kannst Du sogar an einem sonnigen Tag mit bloßem Auge beobachten: Schaust Du an einem sonnigen Tag in den Himmel, so fällt Dir vielleicht auf, dass dieser nicht überall denselben Blauton hat. Einige Bereiche sehen nämlich dunkler aus als andere.

Von dunkleren Bereichen am Himmel geht also weniger Strahlung aus als von helleren. Doch wie kannst Du dies erklären?

Polarisation durch Streuung

Die Antwort darauf, dass der sonnige Himmel nicht überall gleich hell ist, ist Streuung – oder besser gesagt: Polarisation durch Streuung.

Die Sonne sendet unpolarisiertes Licht aus – also Wellen, die in alle Raumrichtungen schwingen. Tritt dieses Licht in die Erdatmosphäre ein, so trifft es auf Luftmoleküle, mit denen es auf unterschiedliche Weise wechselwirken kann. Eine Möglichkeit ist dabei die Streuung: Das Licht wird durch die Luftmoleküle in eine andere Richtung gelenkt.

Je öfter der Strahl dabei auf andere Luftmoleküle trifft, bevor er Dein Auge erreicht, desto häufiger wird er gestreut. Was jedes Mal dabei passiert, kannst Du Dir folgendermaßen vorstellen:

Die verschiedenen Polarisationsrichtungen des (unpolarisierten) Sonnenlichts werden an den Lichtmolekülen in unterschiedliche Raumrichtungen gestreut. Dabei werden die einzelnen Komponenten stets so gestreut, dass sie sich in Richtung senkrecht zu ihrer Schwingungsrichtung weiter ausbreiten: Schwingt eine Komponente beispielsweise entlang der y-Achse, so breitet sie sich nach der Streuung entlang der x-Achse aus. Ist die Welle hingegen parallel zur x-Achse polarisiert, so erfolgt die Ausbreitung entlang der y-Achse.

Da also unterschiedliche Polarisationsrichtungen in unterschiedliche Raumrichtungen gestreut werden, erreicht Dein Auge weniger Licht, als von der Sonne abgestrahlt wird. Sofern Du entlang der Ausbreitungsrichtung schaust, erreicht Dein Auge linear polarisiertes Licht. Wird das Licht unterwegs wiederum an mehreren Luftteilchen gestreut, so nimmt seine Intensität zusätzlich bei jedem Streuvorgang ab. Die Stelle, in die Du blickst, erscheint somit dunkler.

Polarisation durch Reflexion

Neben Streuung kann Polarisation auch durch Reflexion erreicht werden. Dies kann an reflektierenden Oberflächen, wie einer Fensterscheibe, dem Schnee oder der Wasseroberfläche auftreten:

Trifft ein Lichtstrahl beispielsweise auf eine Wasseroberfläche, so wird ein Teil davon gebrochen und der andere Teil nach dem Reflexionsgesetz reflektiert.

Je nach Einfallswinkel kann dabei linear polarisiertes Licht erzeugt werden.

Entspricht der Einfallswinkel dem Brewster-Winkel, so liegen nämlich der Brechungswinkel \(\beta\) und der Reflexionswinkel \(\alpha '\) senkrecht zueinander. Was dabei passiert, kannst Du Dir vereinfacht an einem Strahl aus zwei linear polarisierten Wellen vorstellen:

Einer dieser Strahlen verläuft parallel zur Einfallsebene, die senkrecht auf der Grenzfläche – z.B. der Wasseroberfläche – steht. Die zweite Welle schwingt senkrecht zur Einfallsebene – also praktisch durch diese hindurch. Trifft der Strahl nun im Brewster-Winkel auf die Grenzfläche, so tritt nur die parallele Komponente in das andere Medium ein. Die senkrechte Komponente wird wiederum reflektiert.

Weil der Brewster-Winkel nur durch die Brechungsindices der beiden Medien bestimmt ist, an deren Übergang die Reflexion stattfindet, kann praktisch an jeder Oberfläche linear polarisiertes Licht erzeugt werden. Damit kannst Du unterschiedliche reflektierende Materialien als Polarisator verwenden.

Polarisationsfilter

Mit Polarisatoren kannst Du Licht bestimmter Polarisationsrichtungen herausfiltern, während eine oder mehrere andere Polarisationsrichtungen durchgelassen werden. Du erzeugst damit also polarisiertes Licht. Ein Spezialfall des Polarisators ist der Polarisationsfilter.

Du kannst Dir den Polarisationsfilter praktisch wie ein Sieb vorstellen:

Licht, das in Durchlassrichtung polarisiert ist, kann den Filter passieren, während andere Polarisationsrichtungen nahezu vollständig herausgefiltert werden. Dies wird unter anderem in Polarisationsbrillen ausgenutzt, die unter anderem von Anglern verwendet werden:

Dasselbe Prinzip wird auch in der Fotografie verwendet, um Spiegelungen zu vermeiden.