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Polarisation


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Dieser Artikel befasst sich mit der Polarisation Transversalwellen. Andere Bedeutungen sind unter Polarisation (Begriffsklärung) aufgeführt

Inhaltsverzeichnis

Polarisation von Transversalwellen

Eine Transversalwelle ist durch zwei Richtungen charakterisiert: Den der in Ausbreitungsrichtung zeigt und den Feldvektor bei Transversalwellen immer sekrecht auf dem Wellenvektor Das lässt jedoch im dreidimensionalen Raum noch Freiheitsgrad offen nämlich die Rotation um den Zeigt der Feldvektor nicht in eine beliebige spricht man von Polarisation . Man unterscheidet drei Arten von Polarisation:

lineare Polarisation
Der Feldvektor zeigt immer in eine Richtung (bzw. die Gegenrichtung dazu) und ändert Voranschreiten der Welle seinen Betrag periodisch mit vorgegeben Amplitude.
zirkulare Polarisation
Der Feldvektor dreht sich bei Voranschreiten Welle mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um den Wellenvektor ändert seinen Betrag dabei nicht.
elliptische Polarisation
Der Feldvektor rotiert um den Wellenvektor ändert dabei periodisch den Betrag. Die Spitze Feldvektors beschreibt dabei eine Ellipse. Lineare und Polarisation können auch als Grenzfall der elliptischen aufgefasst werden.

Beispiele für Transversalwellen sind elektromagnetische Wellen (z.B. Licht ) und Schallwellen in Festkörpern wobei zu beachten ist es neben den transversalen auch longitudinale Schallwellen Festkörpern gibt. Zur Beschreibung der Polarisation der Wellen bezieht man sich üblicherweise auf das Feld und lässt das magnetische das senkrecht dem elektrischen steht außer Acht. In zirkularpolarisiertem zeigen die Spins aller Photonen in die selbe Richtung. Dennoch kann ein einzelnes Photon linearpolarisiert werden indem zwei zirkularpolarisierte Zustände überlagert werden.

Überlagerung

Jede beliebige Polarisation kann man als zweier Basispolarisationen darstellen. Am häufigsten verwendet man Basis:

  1. Zwei linear polarisierte Wellen deren Polarisationsrichtungen aufeinander stehen. Hiermit ergeben sich:
    • beliebig gerichtete lineare Polarisationen bei verschwindender Phasendifferenz und variable Intensitäten.
    • zirkulare Polarisation bei einer Phasendifferenz von und gleichen Intensitäten.
    • elliptische Polarisation in jedem anderen Fall.
  2. Eine rechts- und eine linkszirkulare Welle. ergeben sich:
    • beliebig gerichtete lineare Polarisationen bei gleichen und variabler Phasendifferenz.
    • zirkulare Polarisation wenn eine der Basisamplituden
    • elliptische Polarisation in jedem anderen Fall.

Unpolarisiertes Licht kann nicht durch Überlagerung kohärenter polarisierter Wellen erzeugt werden.

Erzeugung polarisierten Lichtes

Licht das durch Glühemission erzeugt wird Licht von der Sonne oder aus Glühbirnen unpolarisiert. Es lässt sich linearpolarisieren indem man durch einen Linear-Polarisator schickt. Monochromatisches linearpolarisiertes Licht in einem λ/4-Plättchen (→Phasenverschieber) in zirkularpolarisiertes Licht werden.

Auch durch Reflexion an Glas Wasser oder an einer wird Licht teilweise polarisiert. Dabei wird der der Reflexionsebene polarisierte Anteil des Lichtes zum Teil absorbiert bzw. transmittiert als der senkrecht dieser Ebene polarisierte Anteil. Wird Licht im genannten Brewsterwinkel reflektiert so ist sogar vollständige Polarisation Polarisationsbrillen schirmen dieses polarisierte Licht ab was B. beim Segeln wertvoll sein kann. Sie aber nicht vor Sonnenstrahlen sofern sie nicht abgedunkelt sind. Das Gleiche gilt für Polarisationsfilter bei Fotoapparaten .

Das Licht eines Lasers ist in der Regel polarisiert. Die kann jedoch instabil sein so dass ein (z.B. ein Brewsterfenster beim Helium-Neon-Laser ) innerhalb des Resonators nötig ist um stabile und wohldefinierte Polarisationsrichtung sicherzustellen.

Analyse von polarisiertem Licht

Licht kann mit den gleichen Polarisatoren werden mit denen man polarisiertes Licht herstellen Man nennt die Polarisatoren ihrer Funktion entsprechend Analysatoren . Ein Linear-Polarisator-Analysator Paar deren Polarisationsebenen senkrecht stehen lässt kein Licht hindurch. Es gibt Substanzen die die Polarisationsebene drehen können (→ optische Aktivität ). D.h. wenn man diese Substanzen zwischen und Analysator stellt kann man die optische vermessen. Einen solchen Aufbau nennt man Polarimeter .

Obwohl die Sonne unpolarisiertes Licht liefert auch in der Natur teilpolarisiertes Licht zu So ist z.B. das Streulicht des blauen Himmels linear teilpolarisiert und das an einer Wasseroberfläche reflektierte Licht. Viele Insekten nutzen diesen Effekt um sich zu Für die Honigbiene wurde dies von Karl von Frisch erforscht.

Mathematische Beschreibung der Polarisation

Der Polarisationszustand kann durch die vierdimensionalen reellwertigen Stokesschen Vektoren oder durch die zweidimensionalen komplexwertigen Jonesschen Vektoren beschrieben werden. Quasimonochromatisches Licht alternativ auch durch die Kohärenzmatrix beschrieben werden. Beschreibung der Wirkung eines polarisationsverändernden optischen Elementes dann durch Multiplikation mit einer entsprechenden Müllermatrix einer Jonesschen Matrix.



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