Polarisation des Lichts — Arten, Methoden & Anwendungen

Die Polarisation des Lichts gibt an, wie das elektrische Feld ausgerichtet ist, während sich die Welle ausbreitet. In der einführenden Optik enthält unpolarisiertes Licht im Laufe der Zeit viele transversale Feldrichtungen, während polarisiertes Licht einem eindeutigeren Muster folgt. Die drei Hauptarten sind lineare, zirkulare und elliptische Polarisation.

Das ist wichtig, weil viele optische Effekte nicht nur von Intensität und Wellenlänge, sondern auch von der Feldausrichtung abhängen. Polarisierende Sonnenbrillen, LCD-Bildschirme, Blendungsreduktion und viele Laborgeräte beruhen auf Polarisation.

Was die Polarisation des Lichts bedeutet

Licht ist eine elektromagnetische Welle, und in der einführenden Physik wird zur Beschreibung der Polarisation meist das elektrische Feld verwendet. Der entscheidende Punkt ist, dass das Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts schwingt.

Wenn das elektrische Feld stets entlang einer festen transversalen Richtung zeigt, ist das Licht linear polarisiert. Wenn sich die Feldrichtung während der Ausbreitung dreht, kann das Licht je nach genauer Bewegung zirkular oder elliptisch polarisiert sein.

Deshalb unterscheidet sich Polarisation von Helligkeit oder Farbe. Zwei Lichtstrahlen können dieselbe Intensität und Wellenlänge haben, aber unterschiedliche Polarisationszustände.

Arten der Polarisation: linear, zirkular und elliptisch

Lineare Polarisation

Bei linearer Polarisation bleibt das elektrische Feld entlang einer festen Linie. Die Feldstärke kann sich mit der Zeit trotzdem ändern, aber die Richtung dreht sich nicht.

Das ist der übliche erste Fall, weil ein einfacher Polarisationsfilter ihn näherungsweise erzeugen kann.

Zirkulare Polarisation

Bei zirkularer Polarisation dreht sich das elektrische Feld mit konstanter Rate und behält im Idealfall denselben Betrag. An einem festen Ort beschreibt die Spitze des Feldvektors mit der Zeit einen Kreis.

Dafür braucht man zwei senkrechte Feldkomponenten mit gleicher Amplitude und der richtigen Phasendifferenz.

Elliptische Polarisation

Elliptische Polarisation ist der allgemeinere Fall. Die Spitze des Feldvektors beschreibt mit der Zeit eine Ellipse.

Lineare und zirkulare Polarisation kann man unter den passenden Bedingungen als Spezialfälle der elliptischen Polarisation auffassen.

Wie Licht polarisiert wird

Licht kann polarisiert werden, wenn ein optisches System manche Feldrichtungen anders behandelt als andere.

Ein Polarisationsfilter lässt eine bevorzugte Richtung des elektrischen Feldes stärker durch als andere, sodass das austretende Licht näherungsweise linear polarisiert wird.

Auch Reflexion kann Licht polarisieren. Reflektierte Blendung von Straßen, Wasser oder Glas ist oft teilweise polarisiert, weshalb polarisierende Sonnenbrillen sie verringern können.

Auch Streuung kann Licht polarisieren. Das ist ein Grund, warum Polarisation in Atmosphärenmessungen und in der Bildgebung nützlich ist.

In der fortgeschritteneren Optik können doppelbrechende Materialien und Wellenplatten einen Polarisationszustand in einen anderen umwandeln. Die Grundidee für Einsteiger ist einfacher: Der Aufbau verändert oder wählt transversale Feldkomponenten aus.

Durchgerechnetes Beispiel: Zwei ideale lineare Polarisatoren

Angenommen, ein Lichtstrahl ist bereits linear polarisiert und hat die Intensität $I_0$. Er durchläuft dann einen idealen Analysator, dessen Transmissionsachse mit der einfallenden Polarisationsrichtung den Winkel $\theta$ bildet.

Für diesen speziellen Aufbau liefert das Malus'sche Gesetz die transmittierte Intensität:

$$I = I_0 \cos^2 \theta$$

Wird der Analysator auf $\theta = 60^\circ$ gedreht, dann gilt

$$I = I_0 \cos^2 60^\circ = I_0 \left(\frac{1}{2}\right)^2 = \frac{I_0}{4}$$

Die transmittierte Intensität beträgt also ein Viertel von $I_0$.

Die Physik dahinter ist einfach: Der Analysator lässt die Komponente des elektrischen Feldes durch, die entlang seiner Achse ausgerichtet ist. Das Malus'sche Gesetz gilt hier nur, weil das einfallende Licht bereits linear polarisiert ist und die Polarisatoren als ideal behandelt werden.

Häufige Fehler bei Polarisationsaufgaben

Ausbreitungsrichtung und Polarisationsrichtung verwechseln

Der Lichtstrahl kann sich entlang einer Achse nach vorn ausbreiten, während das elektrische Feld in Richtungen senkrecht zu dieser Achse schwingt. Das sind verschiedene Richtungen.

Annehmen, dass alles Licht polarisiert ist

Viele alltägliche Lichtquellen erzeugen Licht, das unpolarisiert oder nur teilweise polarisiert ist, bevor es mit einem optischen Element wechselwirkt.

Linear, zirkular und elliptisch als völlig getrennte Konzepte behandeln

Es sind verschiedene Polarisationszustände, aber zirkulare und lineare Polarisation sind beide Spezialfälle innerhalb des allgemeineren elliptischen Bildes.

Das Malus'sche Gesetz zu allgemein anwenden

Die Formel $I = I_0 \cos^2 \theta$ gilt für einen idealen Analysator mit einfallendem linear polarisiertem Licht. Wenn das einfallende Licht unpolarisiert oder nur teilweise polarisiert ist, muss man den Aufbau sorgfältiger behandeln.

Wo die Polarisation des Lichts verwendet wird

• polarisierende Sonnenbrillen zur Verringerung reflektierter Blendung
• LCD- und Display-Technologien
• optische Kommunikation und Laborinstrumente
• Mikroskopie und Materialanalyse
• Fotografie und Fernerkundung

Auch wenn ein Produkt Polarisation nicht ausdrücklich erwähnt, kann sie dennoch Teil davon sein, wie das optische System Licht steuert oder misst.

Probiere ein ähnliches Polarisationsbeispiel aus

Probiere deine eigene Version des Polarisator-Beispiels mit $\theta = 30^\circ$, $45^\circ$ und $90^\circ$ aus. So bekommst du schnell ein Gefühl dafür, wie die Orientierung die transmittierte Intensität verändert.

Wenn du noch einen Schritt weitergehen willst, untersuche einen ähnlichen Fall aus der Optik wie Brechung oder Interferenz und vergleiche, welche Eigenschaften des Lichts sich ändern und welche gleich bleiben.