Polarisation

Polarisation auf Gummifaden (Zirkular→linear polarisierte Welle)

Die Polarisation einer Transversalwelle beschreibt die Richtung ihrer Schwingung. Ändert sich diese Richtung schnell und ungeordnet, spricht man von einer unpolarisierten Welle. Der Polarisationsgrad gibt den geordneten Anteil an. Bei in Ausbreitungsrichtung schwingenden Wellen, den Longitudinalwellen, gibt es keine Polarisation.

Bauelemente, die unpolarisiertes Licht polarisieren oder polarisiertes Licht abhängig von der Art und Richtung der Polarisation aufteilen oder unterdrücken, heißen Polarisator.

Zirkulare Polarisation: Auslenkung (z. B. einer Seilwelle) in x- und y-Richtung (in Ausbreitungsrichtung beträgt sie Null) in Abhängigkeit von der Zeit und von der z-Komponente des Ortes. Rot und blau die Komponenten der Auslenkung, schwarz die 3D-Ansicht. Der Pfeil illustriert den umlaufenden Auslenkungsvektor für einen Raumpunkt.

Polarisationsarten

• lineare Polarisation: Die Richtung der Schwingung ist konstant. Die Auslenkung aus der Ruhelage (im Fall der mechanischen Welle eine Verschiebung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) ändert periodisch ihren Betrag und ihr Vorzeichen. Die Richtung in Bezug auf eine bestimmte Ebene kann als Winkel angegeben werden (bei seismischen Wellen üblich) oder als Anteil der beiden Komponenten parallel bzw. senkrecht. Für elektromagnetische Wellen siehe das folgende Kapitel.
• zirkulare Polarisation (im 19. Jahrhundert als drehende Polarisation bezeichnet): Der Betrag der Auslenkung ist (abgesehen von Modulation) konstant, ihre Richtung ändert sich innerhalb der senkrecht zum Wellenvektor stehenden Ebene (der xy-Ebene im Bild) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit. Für den Drehsinn siehe Helizität. Allerdings wird in der Literatur, besonders der älteren, häufig rechtszirkular polarisiert als Umlauf im Uhrzeigersinn bei Blickrichtung gegen die Ausbreitungsrichtung definiert (entsprechend einer Linksschraube).^[1][2] Abkürzungen: RHCP und LHCP für rechts- oder linkshändige Polarisation (eng. Right Hand Circular Polarization und Left Hand Circular Polarization).
• elliptische Polarisation ist eine Mischform. Die Auslenkung beschreibt dabei eine Ellipse.

Mathematische Beschreibung

• Zusammensetzung einer linear, zirkular bzw. elliptisch polarisierten Welle (schwarz) aus linear polarisierten Komponenten (rot und blau)
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Jede beliebige Polarisation kann als Überlagerung zweier Basispolarisationen dargestellt werden. In zirkularpolarisiertem Licht zeigen die Spins aller Photonen in dieselbe Richtung, je nach Helizität entweder in oder gegen die Ausbreitungsrichtung. Dennoch kann auch ein einzelnes Photon linearpolarisiert werden, indem zwei entgegengesetzt zirkularpolarisierte Zustände überlagert werden.

Ungeachtet dessen ist es aber möglich und üblich, zirkular polarisierte Wellen als Überlagerung linear polarisierter Komponenten darzustellen. Beiden Varianten gemeinsam ist die Angabe von Amplitudenverhältnis und relativer Phasenlage:

1. Zwei linear polarisierte Wellen, deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen, werden überlagert. Abhängig von der Phasenbeziehung und dem Amplitudenverhältnis der beiden Wellen ergeben sich folgende Ausgangspolarisationen (resultierende Polarisationen):
   • Bei verschwindender Phasendifferenz (oder einer Phasendifferenz, die einem Vielfachen von π entspricht) und unterschiedlicher oder gleicher Amplitude ist die Ausgangspolarisation linear und die Richtung hängt vom Amplitudenverhältnis ab.
   • Bei einem Phasenunterschied von π/2 und gleichen Amplituden ist die Ausgangspolarisation zirkular.
   • In jedem anderen Fall ist die Ausgangspolarisation elliptisch.
2. Zwei zirkular polarisierte Wellen, eine rechts- und eine linksdrehend, werden überlagert. Abhängig von der Phasenbeziehung und dem Amplitudenverhältnis der beiden Wellen ergeben sich folgende Ausgangspolarisationen:
   • Bei gleichen Intensitäten und variabler Phasendifferenz ist die Ausgangspolarisation linear und die Richtung hängt von der Phasenlage der Basispolarisationen ab.
   • Wenn eine der Basispolarisationen eine verschwindende Amplitude hat, ist die Ausgangspolarisation die jeweils andere zirkulare Polarisation.
   • In jedem anderen Fall ist die Ausgangspolarisation elliptisch.

Sind auch die absolute Intensität und der Polarisationsgrad von Interesse, so sind insgesamt vier Angaben notwendig, als vierdimensionaler reellwertiger Stokes-Vektor oder als zweidimensionaler komplexwertiger Jones-Vektor. 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 Jones-Matrix.

Polarisation elektromagnetischer Wellen

Unpolarisiertes und polarisiertes Licht in der Natur

Die auf der Erde und im Universum überwiegend beobachtete Ausprägung elektromagnetischer Strahlung ist thermische Strahlung und damit zunächst unpolarisiert, das heißt, die Einzelwellen sind in ihren Eigenschaften statistisch verteilt; es handelt sich also um die Überlagerung einer Vielzahl von Einzelwellen mit unterschiedlichster Lage von Schwingungsebene und relativer Phase. Durch Reflexion und/oder Streuung entsteht daraus teilpolarisiertes Licht, bei dem ein Teil der Einzelwellen gleiche Eigenschaften hinsichtlich ihrer Polarisation aufweist und als Polarisationsmuster erscheint.

Schräge Reflexion an Grenzflächen, z. B. an einer Wasseroberfläche, trennt Licht teilweise nach seiner Polarisationsrichtung auf. Der in der Reflexionsebene polarisierte Anteil dringt eher ein, der dazu senkrechte Anteil wird eher reflektiert. Für die quantitative Abhängigkeit vom Einfallswinkel siehe Fresnelsche Formeln.

Das blaue Licht des Himmels ist von Molekülen und statistischen Dichteschwankungen der Luft gestreutes Sonnenlicht. Die Luft wird durch die einfallende Welle in zufällige Richtungen senkrecht zur Einfallsrichtung elektrisch polarisiert. Streulicht in Richtungen dieser Schwingungsebene (Streuwinkel 90°) schwingt in ebendieser Ebene, ist also vollständig polarisiert. Für die Abhängigkeit vom Streuwinkel siehe Rayleighstreuung. Das Himmelslicht ist jedoch durch Vielfachstreuung und Streuung an Partikeln nicht vollständig polarisiert.

Wahrnehmung von polarisiertem Licht

Viele Insekten können linear polarisiertes Licht nach seiner Polarisationsrichtung unterscheiden und nutzen diesen Effekt, um sich zu orientieren. Für die Honigbiene wurde dies durch Karl von Frisch erforscht. Auch Fangschreckenkrebse,^[3] die Wasserwanze Notonecta glauca und Wüstenameisen^[4][5] sind dazu in der Lage, sowie Menschen, allerdings mit sehr geringem Kontrast (Haidinger-Büschel-Phänomen).

Bezeichnungen der Untergruppen der Polarisationsarten

Bezeichnung der Richtung linearer Polarisation elektromagnetischer Wellen bei Vorgängen mit Richtungsänderung des Lichtstrahls (hier Reflexion an einem Spiegel): Parallele Polarisation bedeutet, dass die elektrische Komponente in der Einfallsebene schwingt.

Elektromagnetische Strahlung (Licht, Radiowellen usw.) ist eine Transversalwelle mit jeweils rechten Winkeln zwischen dem Wellenvektor $ {\vec {k}} $, der in Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Vektoren des elektrischen und magnetischen Feldes, $ {\vec {E}} $ bzw. $ {\vec {B}} $. Es ist willkürlich, ob als Polarisationsrichtung die Schwingungsrichtung des elektrischen oder des magnetischen Feldes gewählt wird. Allerdings bedeuten $ {\vec {E}} $ und $ {\vec {B}} $ für die Welle verschiedene Schwingungsrichtungen. Diese stehen aufeinander senkrecht. Aus der Zeit, als Licht noch als mechanische Schwingung des hypothetischen Äthers erklärt wurde, stammt eine Festlegung für die Bezeichnungen der beiden Polarisationsrichtungen, die sich später als die Schwingungsrichtung des magnetischen Feldvektors herausstellte.^[6] Da die meisten Wechselwirkungen elektromagnetischer Strahlung mit Materie allerdings elektrischer Natur sind, wird die Polarisationsrichtung heute meist auf den elektrischen Feldvektor bezogen.

Wenn die Welle gebrochen, reflektiert oder gestreut wird, ist die Bezugsebene für die Bezeichnungen parallel und senkrecht jene Ebene, in der die ein- und die auslaufende Welle liegen. Im Fall von Funkwellen stellt die Erdoberfläche die „Bezugsebene“ dar und die Komponenten heißen in der Regel horizontal und vertikal.

Neben parallel und senkrecht polarisierten Wellen werden unter anderem bei der Beschreibung der Reflexion weitere Bezeichnungen genutzt. So spricht man von TM-polarisiertem Licht, wenn die Richtung des magnetischen Feldes senkrecht zu der durch Einfallsvektor und Flächennormale aufgespannten Ebene ("Einfallsebene") liegt (TM = transversal magnetisch; man spricht hierbei auch von parallel-, p- oder π-polarisiertem Licht, da das bei isotropen Materialien zum Magnetfeld senkrechte elektrische Feld in der Einfallsebene liegt), und von TE-polarisiertem Licht, wenn das elektrische Feld senkrecht auf der Einfallsebene steht (TE = transversal elektrisch; man spricht hierbei auch von senkrecht-, s- oder σ-polarisiertem Licht).^[7] In Richtung des Brewster-Winkels wird TM-polarisiertes Licht verstärkt in das Medium gebrochen anstatt reflektiert, das heißt, auch für unpolarisiertes einfallendes Licht ist das beim Brewster-Winkel ausfallende Licht immer TE-polarisiert. Beide Begriffe sind nur im Zusammenhang mit der reflektierenden Fläche definiert.

Bei zirkular oder elliptisch polarisiertem Licht unterscheidet man hinsichtlich der Drehrichtung des E- oder H-Vektors im Bezug auf die Ausbreitungsrichtung. Man spricht hier von links- oder rechtsdrehendem polarisiertem Licht (für die Bezeichnungskonventionen siehe oben).

Veranschaulichung von $ \sigma ^{+} $-, $ \sigma ^{-} $- und $ \pi $-Polarisation anhand eines atomaren Übergangs, wie es in der Laserspektroskopie verwendet wird

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In der Laserspektroskopie wird die zirkuläre Polarisation anstelle von rechts und links in $ \sigma ^{+} $ („Sigma-Plus“) und $ \sigma ^{-} $ („Sigma-Minus“) aufgeteilt, die bei atomaren Übergängen zwischen Energieniveaus eine Änderung der magnetischen Quantenzahl $ m $ von +1 bzw. −1 bewirkt. Linear polarisiertes Licht ($ \Delta m=0 $ beim atomaren Übergang) wird als $ \pi $-polarisiertes Licht bezeichnet. Vorteil dieser Angabe ist die Unabhängigkeit vom Koordinatensystem (rechts und links); stattdessen bezieht sich die Angabe auf die gewählte Quantisierungsachse des Atoms.

Siehe auch

• Fresnelsches Parallelepiped
• Polarisation (Antennen)
• Verzögerungsplatte

Einzelnachweise

Weblinks

Commons: Category:Polarization – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Fotos von Mikrokristallen in polarisiertem Licht
• Polarisation bei atomaren Übergängen
• Animation von Zirkularwellen mit Polarisator (benötigt Java)
• Video vom „anderthalb Lexikon“ über Polarisation (langsame Verbindung; schnelle Verbindung)
• Satelliten-Polarisation (PDF; 1,4 MB)
• Video: Polarisiertes Licht. Institut für den Wissenschaftlichen Film (IWF) 2004, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), doi:10.3203/IWF/C-14897.