Wellenoptik – Polarisation

Polarisation – Definition

In diesem Text befassen wir uns mit der Polarisation des Lichts. Zuerst wollen wir eine Definition formulieren, um zu klären, was damit gemeint ist.

Was das genau bedeutet, wie polarisiertes Licht erzeugt werden kann und wo es Anwendung findet, wollen wir im Folgenden klären. Dazu solltest du schon wissen, dass man Licht als elektromagnetische Welle beschreiben kann und die damit verbundenen Eigenschaften von Licht kennen.

Polarisation – einfach erklärt

Wir wissen bereits, dass wir Licht als elektromagnetische Transversalwelle beschreiben können. Transversalwelle bedeutet, dass die Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgt. Im Falle von Licht schwingen elektrische und magnetische Felder senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zueinander.

In der Abbildung ist die Ausbreitungsrichtung der gezeigten Lichtwelle in $x$-Richtung dargestellt. Die Schwingungsrichtung des magnetischen Feldes wird durch die rote Sinuskurve dargestellt, die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes wird durch die blaue Sinuskurve dargestellt. Beide Sinuskurven schwingen senkrecht zu ihrer Ausbreitung in $x$-Richtung.

Die Polarisation bezieht sich in der Regel auf das elektrische Feld des Lichts. Da das magnetische Feld immer senkrecht auf dem elektrischen steht, reicht das Wissen über das elektrische Feld aus, um die Polarisationseigenschaften der Lichtwelle vollständig zu beschreiben. Das elektrische Feld wird durch den elektrischen Feldvektor $\vec{E}$ beschrieben.

Als Schwingungsrichtung oder auch Schwingungsebene bezeichnet man die Ebene, in der der elektrische Feldvektor schwingt. In der Beispielillustration breitet sich die Welle in $x$-Richtung aus. Das elektrische Feld schwingt in der $x\text{-}y$-Ebene, und darin in $y$-Richtung.
Das heißt, die Auslenkung der Schwingung wird in $y$-Richtung größer und kleiner und bildet Wellenberge und Wellentäler, während die Wellenlänge, also der Abstand zwischen zwei Wellenbergen, in $x$-Richtung messbar ist.

Mit der Polarisation beschreibt man die Ausrichtung der Schwingungsebene, die durch die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes gegeben ist. Je nach Eigenschaften des Lichts werden verschiedene Polarisationszustände unterschieden: unpolarisiertes Licht, linear polarisiertes Licht und zirkular polarisiertes Licht. Diese sehen wir uns im Folgenden genauer an.

Polarisation – unpolarisiertes Licht

Licht, das von thermischen Quellen, zum Beispiel einer Kerze oder einer Glühlampe, emittiert wird, ist unpolarisiert. Das bedeutet, dass sich das Licht aus Einzelwellen zusammensetzt, die voneinander unabhängige Schwingungsrichtungen aufweisen. Diese Richtungen sind zufällig verteilt und überlagern sich. In unpolarisiertem Licht kommt in der Regel also jede beliebige Schwingungsrichtung vor.

Polarisation – linear polarisiertes Licht

In linear polarisiertem Licht schwingen alle Einzelwellen in dieselbe Richtung. Die Schwingungsebene kann dabei horizontal, vertikal oder in jedem beliebigen Winkel im Raum liegen, wobei die Schwingung nach wie vor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgt. Bezogen auf das obige Beispiel würde linear polarisiertes Licht bedeuten, dass alle Einzelwellen genau wie die in der Abbildung gezeigte Welle in der $x\text{-}y$-Ebene schwingen, also parallel zueinander vertikal im Raum liegen.

Polarisation – zirkular polarisiertes Licht

Wenn linear polarisierte Wellen unter bestimmten Bedingungen überlagert werden oder besondere Bauteile durchqueren, ergibt sich zirkular polarisiertes Licht. In diesem besonderen Fall dreht sich die Schwingungsebene periodisch im Kreis. In der Natur kommt diese Form der Polarisation allerdings nur sehr selten vor.

In der folgenden Abbildung sind die drei Spezialfälle noch einmal dargestellt:

Ausbreitungsrichtung ist jeweils die $x$-Richtung. Neben den gezeigten Sonderfällen kann durch Überlagerung im Prinzip jede beliebige Polarisation, also Schwingungsrichtung, im Raum erreicht werden.

Erzeugung von Polarisation

Eine Möglichkeit, unpolarisiertes Licht zu polarisieren, ist die Verwendung von Polarisationsfiltern. Solche Polfilter bestehen aus speziellen Folien, die auf bestimmte Weise gestreckt werden. Auf diese Weise richten sich innerhalb der Folie Molekülketten parallel zueinander aus.

Wenn nun Licht, also ein elektrisches Feld, auf die Folie trifft, kann es abhängig von seiner Schwingungsrichtung gut oder schlecht absorbiert werden:
Schwingt das elektrische Feld in Richtung der Molekülketten, kann es Elektronen innerhalb der Ketten zum Schwingen anregen und wird daher absorbiert. Es wird also durch den Filter blockiert. Schwingt das Feld hingegen senkrecht zu den Molekülketten, kann es keine Schwingungen anregen und wird dementsprechend vollständig durchgelassen. Für alle anderen Winkel zwischen $0^\circ$ und $90^\circ$ wird das Licht geschwächt und nur der zu den Molekülketten senkrechte Anteil wird vom Filter vollständig durchgelassen.

Auf diese Weise ist das Licht hinter dem Polarisationsfilter senkrecht zu der Ausrichtung der Molekülketten polarisiert. So kann man einerseits aus unpolarisiertem Licht linear polarisiertes Licht erzeugen, oder aber andererseits auch bereits polarisiertes Licht gezielt blockieren.

Neben Experimenten in der Wissenschaft kommen solche Polarisationsfilter auch in der Fotografie und in Brillen zum Einsatz. Warum das so ist, sehen wir im nächsten Abschnitt.

Polarisation – Sonnenlicht

Das Licht, das von der Sonne ausgeht, ist zunächst unpolarisiert. Allerdings kann Licht nicht nur durch Polarisationsfilter polarisiert werden, sondern auch bei Reflexion, Streuung und Brechung. Bei diesen Vorgängen wird das Licht in der Regel zwar nicht vollständig polarisiert, aber je nach Bedingungen zu einem großen Anteil. Das passiert beispielsweise bei der Streuung des Sonnenlichts in der Atmosphäre. So ist das Licht am Himmel abhängig von der relativen Position der Sonne unterschiedlich polarisiert. Das nutzen einige Insekten aus: Bienen können beispielsweise die Polarisation von Licht wahrnehmen. So können sie genau feststellen, in welcher Himmelsrichtung sich die Sonne befindet, ohne die Sonne selbst zu sehen.

Ausblick – das lernst du nach Wellenoptik – Polarisation

Vertiefe dein Verständnis für Licht mit den Themen zum Welle-Teilchen-Dualismus! Die Themen wie der Fotoeffekt oder das Photon geben dir weitere Einblicke!

Häufig gestellte Fragen zum Thema Polarisation