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Polarisation

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Linear polarisierte Welle. Die x- und y-Komponenten schwingen in Phase, die Schwingungsrichtung liegt konstant entlang der Diagonale zwischen den x- und y-Achsen.
Zirkular polarisierte Welle. Die x- und y-Komponenten schwingen um 90º phasenversetzt, die Schwingungsrichtung rotiert mit konstanter Winkelgeschwindigkeit.

Die Polarisation einer Transversalwelle beschreibt die Richtung ihrer Schwingung. Man unterscheidet linear polarisierte Wellen, die eine räumlich und zeitlich feste Schwingungsrichtung haben, und zirkular oder elliptisch polarisierte Wellen, in denen sich die Richtung mit fester Winkelgeschwindigkeit ändert.

Wenn sich die Schwingungsrichtung schnell und ungeordnet ändert, dann spricht man von einer unpolarisierten Welle.

Historisch wurde die Polarisation zuerst als eine Eigenschaft elektromagnetischer Wellen beschrieben, die angibt, in welcher Ebene die elektrischen Feldvektoren schwingen.

Bei in Ausbreitungsrichtung schwingenden Wellen, den Longitudinalwellen, wie etwa beim Schall in Luft, gibt es keine Polarisation im eigentlichen Sinn. Schallwellen in Festkörpern können außer transversalem auch longitudinalen Charakter haben, im letzteren Fall spricht man auch von longitudinaler Polarisation.

Die Untersuchung der Polarisation von Transversalwellen ist Gegenstand der Polarimetrie. Der Polarisationsgrad gibt den geordneten Anteil der Wellen an. Gemessen wird der Polarisationsgrad mittels Polarimetern.

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

Geschichte

Polarisationsarten

Mathematische B

Polarisation elektromagnetischer Wellen

Erzeugung von polarisiertem Licht

Veränderung der Polarisation

Ideale Verzögerungsplatten können eine bestehende Polarisation ändern, ohne den Strahl abzuschwächen, abzulenken oder zu versetzen, indem eine Polarisationskomponente in Bezug auf die dazu orthogonale Polarisationsrichtung verzögert wird.[21] Damit lässt sich sowohl die Art wie die Ebene der Polarisation verändern:

Erzeugung zirkularer Polarisation aus linearer Polarisation mittels eines λ/4-Plättchens.
  • Das λ/4-Plättchen, auch als Zirkularpolarisator bezeichnet, kann aus einem linear polarisierter Lichtstrahl einen zirkular oder einen elliptisch polarisierten Strahl erzeugen. Umgekehrt verwandelt ein λ/4-Plättchen zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht.[22]
  • Mit einem λ/2-Plättchen kann die Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht erreicht werden.[23]
Ein linear polarisierte Welle durchläuft ein Phasenplättchen.

Drehung der Polarisation durch optische aktive Materialien

Optisch aktive Materialien, Flüssigkeiten oder Festkörper, die das Phänomen der optischen Aktivität zeigen, können die Polarisationsrichtung des durchgehenden Lichts drehen.[24] Der Grund für die Polarisationsdrehung liegt in der Kristall- oder Molekülstruktur der optisch aktiven Materialien. Man kann sie so verstehen, dass eine linear polarisierte Welle bei Eintritt in das Medium in zwei entgegengesetzt umlaufende, zirkular polarisierte Wellen gespalten wird, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzen. Bei Austritt aus dem Medium addieren sich die zirkular polarisierten Wellen wieder zu einer linear polarisierten, die gemäß der Phasenverschiebung um einen spezifischen Winkel gedreht ist.[25] Neben der natürlichen optischen Aktivität kann eine optische Aktivität auch erst durch äußere Magnetfelder über den Faraday-Effekt hervorgerufen werden[26], so beim Faraday-Rotator.

Die Polarisationsrichtung von Licht kann sich auch beim Durchgang desselben durch flüssigkristalline Stoffe ändern. In Flüssigkristallen mit gedreht-nematischer Phase folgt die Schwingungsebene des durchtretenden Lichtes der Orientierung der linear angeordneten Moleküle. Das findet Anwendung in Flüssigkristallanzeigen, in denen durch eine angelegte elektrische Spannung der Grad der Richtungsänderung des durchtretenden Lichtes geändert wird und sich in einem nachfolgenden Analysator als unterschiedliche Helligkeitswerte manifestiert.

Anwendungen

Bedeutsam sind die Anwendungen der Polarisation in der Polarimetrie etwa in Pharmazie und in der Zuckerindustrie zur Bestimmung des Zuckergehalts von Lösungen. Die Implementierung einer Polarisationssteuerung kann in einer Vielzahl von Bildverarbeitungsanwendungen von Nutzen sein. Polarisatoren werden an einer Lichtquelle und/oder einem Objektiv eingesetzt, um Glanzeffekte durch Lichtstreuung zu beseitigen, den Kontrast zu erhöhen und intensive Lichtflecke aus reflektierenden Objekten zu entfernen. Dies bewirkt intensivere Farben oder mehr Kontrast bzw. erleichtert die Erkennung von Oberflächenfehlern oder anderen sonst verborgenen Strukturen.[21]

Eine weitere Anwendung ist die Nutzung der Polarisation in der Funktechnik mit speziellem Antennendesign.

Polarisierte Einzelphotonen können benutzt werden, Quanteninformation zu kodieren und zu übertragen. Ein polarisiertes Photon ist der bestgeeignete Informationsträger für die Freilandübertragung. Polarisierte Photonen können dabei unter anderem zum Quantenschlüsselaustausch verwendet werden.[27]

Literatur

Commons: Polarisation – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Geschichte der Polarisation In: LEIFIphysik
  2. ↑ Wie funktioniert eigentlich ein Polarimeter?
  3. ↑ Dennis H. Goldstein: Polarized Light, Revised and Expanded. 2. Auflage. CRC Press, 2011, ISBN 978-0-203-91158-7, S. xiii (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  4. ↑ Arago's cyanopolarimeter (1841) bei: HORIBA Scientific
  5. ↑ Paul Diepgen, Heinz Goerke: Aschoff/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin. 7. Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 38, doi:10.1007/978-3-642-87252-5.
  6. ↑ Jean-Baptiste Soleil’s sensitive tint saccharimeter (1848) bei: HORIBA Scientific
  7. ↑
    Wikisource: Saccharimetrie – Quellen und Volltexte
  8. ↑ Jean-François Loude: Heinrich Wild’s Polaristrobometer: An early form of chemical polarimeter Museum of Physics Instruments at the University of Lausanne abgerufen am 1. Juni 2024.
  9. ↑ Geschichte des Unternehmens Schmidt und Hänsch, abgerufen am 1. Juni 2024
  10. ↑ Wilhelm H. Westphal: Physik – Ein Lehrbuch. 25. Auflage. Springer, 1970, S. 525.
  11. ↑ Ebenso in Rudolf Gross: Polarisation des Lichts. In: Physik III Optik und Quantenphänomene (Vorlesungsskript zur Vorlesung im WS 2003/2004). S. 76–120 (badw.de [PDF; abgerufen am 15. Juni 2024]).pdf (Memento vom 23. Januar 2019 im Internet Archive), TU München, abgerufen 2017. Dort wird diese Konvention als unglücklich bezeichnet und darauf hingewiesen, dass in neuerer Literatur bisweilen die umgekehrte Definition verwendet wird (entsprechend der üblichen Konvention bei der Helizität) (S. 95).
  12. ↑ Lexikon der Optik: Kohärenzmatrix
  13. ↑ www.fangschreckenkrebse.de.
  14. ↑ Stefan Greif, Ivailo Borissov, Yossi Yovel und Richard A. Holland: A functional role of the sky’s polarization pattern for orientation in the greater mouse-eared bat. In: Nature Communications. Band 5, Artikel-Nr. 4488, 2014, doi:10.1038/ncomms5488.
  15. ↑ Karl Fent: Polarized skylight orientation in the desert ant Cataglyphis. In: Journal of Comparative Physiology A. Band 158, Nr. 2, 1986, S. 145–150, doi:10.1007/BF01338557.
  16. ↑ Rüdiger Wehner: Polarization vision – a uniform sensory capacity? In: Journal of Experimental Biology Band 204, 2001, S. 2589–2596, PMID 11511675.Online
  17. ↑ Cody A Freas, Ajay Narendra, Trevor Murray, Ken Cheng (2024): Polarised Moonlight Guides Nocturnal Bull Ants Home. eLife 13: RP97615 doi:10.7554/eLife.97615.1
  18. ↑ Eduard von Hartmann: Die Weltanschauung der Modernen Physik. Hermann Haacke Verlagsbuchhandlung, Leipzig, 1902 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  19. ↑ Polarization definitions, Ibsen Photonics
  20. ↑ Polarisation In: LEIFIphysik
  21. ↑ a b Polarisationsfilter und Polarisation – die Grundlagen. (edmundoptics.de [abgerufen am 31. Mai 2024]).
  22. ↑ Phasenplättchen. In: Ulrich Kilian u. Christine Weber (Hrsg.): Lexikon der Physik. Spektrum Akademischer Verlag, 2003, ISBN 978-3-86025-296-3 (spektrum.de).
  23. ↑ Half-Waveplates In: Introduction-to waveplates MKS Instruments Tutorial
  24. ↑ optisch aktive Materialien. In: Ulrich Kilian u. Christine Weber (Hrsg.): Lexikon der Physik. Spektrum Akademischer Verlag, 2003, ISBN 978-3-86025-296-3 (spektrum.de).
  25. ↑ Optische Aktivität. In: Ulrich Kilian u. Christine Weber (Hrsg.): Lexikon der Physik. Spektrum Akademischer Verlag, 2003, ISBN 978-3-86025-296-3 (spektrum.de).
  26. ↑ optische Aktivität. In: Harry Paul (Hrsg.): Lexikon der Optik. Springer Medien, 2003, ISBN 978-3-8274-1422-9 (spektrum.de).
  27. ↑ Lecture 10: Polarization states In: Modern Optics 3: Quantum Optics, (Script des Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts WS 2018 / 2019)