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Polarisation

*** Shopping-Tipp: Polarisation

{{Dieser Artikel|befasst sich mit der Polarisation von Transversalwellen. Andere Bedeutungen sind unter Polarisation (Begriffsklärung) aufgeführt.}} {{Unverständlich}}

Die Polarisation von Transversalwellen allgemein
Polarisation einer Welle (Physik) Welle ist eine Eigenschaft von Transversalwellen, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle Schwingung schwingen. Bei Longitudinalwellen kann kein Polarisationsphänomen auftreten, da die Schwingung in Ausbreitungsrichtung erfolgt. Eine Transversalwelle ist durch zwei Richtungen charakterisiert: Den Wellenvektor, der in Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Amplitudenvektor, der bei Transversalwellen immer senkrecht auf dem Wellenvektor steht. Das lässt jedoch im dreidimensionalen Raum noch einen Freiheitsgrad offen, nämlich die Rotation um den Wellenvektor. Zeigt der Amplitudenvektor nicht in eine beliebige Richtung, spricht man von '''Polarisation'''. Man unterscheidet drei Arten von Polarisation: ;''lineare Polarisation'': Der Amplitudenvektor zeigt immer in eine feste Richtung und die Auslenkung ändert bei Voranschreiten der Welle ihren Betrag und ihr Vorzeichen periodisch (mit fester Amplitude). ;''Zirkularpolarisation zirkulare Polarisation'' (auch als drehende Polarisation bezeichnet): Der Amplitudenvektor dreht sich bei Voranschreiten der Welle mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um den Wellenvektor und ändert seinen Betrag dabei nicht. ;''elliptische Polarisation'': Der Amplitudenvektor rotiert um den Wellenvektor und ändert dabei periodisch den Betrag. Die Spitze des Feldvektors beschreibt dabei eine Ellipse. Lineare und zirkulare Polarisation können auch als Grenzfälle der elliptischen Polarisation aufgefasst werden.


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

Überlagerung
Bild:Rising circular.gif thumb|400px|Entstehung einer zirkularen Polarisation Jede beliebige Polarisation kann man als Überlagerung zweier Basispolarisationen darstellen. Am häufigsten verwendet man als Basis: # Zwei linear polarisierte Wellen deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen. Hiermit ergeben sich: #* beliebig gerichtete lineare Polarisationen bei verschwindender Phasendifferenz und variable Intensitäten. #* zirkulare Polarisation bei einem Phasenunterschied von π/2 und gleichen Intensitäten. #* elliptische Polarisation in jedem anderen Fall. # Eine rechts- und eine linkszirkulare Welle. Hiermit ergeben sich: #* beliebig gerichtete lineare Polarisationen bei gleichen Intensitäten und variabler Phasendifferenz. #* zirkulare Polarisation wenn eine der Basisamplituden verschwindet. #* elliptische Polarisation in jedem anderen Fall. Unpolarisiertes Licht kann nicht durch Überlagerung Kohärenz (Physik) kohärenter polarisierter Wellen erzeugt werden.

Polarisiertes Licht
Licht, das durch Glühemission erzeugt wird, beispielsweise Licht von der Sonne oder aus Glühlampen, ist unpolarisiert. Es lässt sich linear polarisieren, indem man es durch einen Linear-Polarisator schickt. Monochromatisches linearpolarisiertes Licht kann in einem λ/4-Plättchen (→Phasenverschieber) in zirkularpolarisiertes Licht umgewandelt werden. Das Licht eines Lasers ist in der Regel polarisiert. Die Polarisation kann jedoch instabil sein, so dass ein (Teil-)Polarisator (beispielsweise ein Brewsterfenster beim Helium-Neon-Laser) innerhalb des Resonators nötig ist um eine stabile und wohldefinierte Polarisationsrichtung sicherzustellen.

Erzeugung polarisierten Lichtes
Mit Polarisationsfolien kann man aus den verschiedenen Lichtwellenzügen, deren SCHWINGUNGSEBENEN gleichmäßig über den Raum verteilt sind, solche auswählen, die nur in einer bestimmten Schwingungsebene schwingen. Man verwendet dazu Plastikfolien aus langgestreckten Molekülen, die durch Spannen parallel gerichtet werden. Stehen bei zwei hintereinander geschalteten, so geformten Plastikfolien die Molekülachsen parallel, so kann das polarisierte Licht durch die zweite Folie durchdringen. Stehen sie aber normal (senkrecht) aufeinander, so wird das von der ersten Folie kommende polarisierte Licht durch die zweite Folie ausgelöscht. Fällt ein Lichtwellenzug, der schräg zur Durchlass-Richtung des Polarisationsfilters schwingt, auf diesen auf, dann geht nur diejenige Komponente durch, die in derselben Richtung schwingt wie der Filter. Die senkrecht zum Filter stehende Komponente wird absorbiert. Bei Licht-Wellen schwingt ein elektronischer Feldvektor.

= Polarisation von Licht
= Unpolares Licht kann durch folgende vier Methoden polarisiert werden: * Absorption * Streuung * Reflexion * Doppelbrechung

= Polarisiertes Licht in der Natur
= Auch durch Reflexion (Physik) Reflexion an Glas, Wasser oder an einer Wandtafel wird Licht teilweise polarisiert. Dabei wird der in der Reflexionsebene polarisierte Anteil des Lichtes zum größeren Teil absorbiert. Der senkrecht zu dieser Ebene polarisierte Anteil wird transmittiert. Wird Licht im so genannten Brewsterwinkel reflektiert, so ist sogar vollständige Polarisation möglich. Polarisationsbrillen schirmen dieses polarisierte Licht ab, was beispielsweise beim Segeln wertvoll sein kann. Sie schützen aber nicht vor Sonnenstrahlen, sofern sie nicht zusätzlich abgedunkelt sind. Das Gleiche gilt für Polarisationsfilter bei Fotoapparaten. Auch durch Streuung (beispielsweise die Rayleigh-Streuung) kann Polarisation erzielt werden. Hierbei treffen die Lichtwellen auf Teilchen die viel kleiner sind als die Wellenlänge und regen diese zum Schwingen an. Es entsteht ein Hertzscher Dipol. Das (blaue) Streulicht der Sonne am Taghimmel ist teilweise linear polarisiert. Die Polarisierung kommt durch die Rayleigh-Streuung zustande. Die Polarisationsebene ist normal auf die von der Verbindungslinie vom Betrachter zur Sonne und der Blickrichtung aufgespannten Ebene.H. Vogel: ''Gerthsen Physik'', 18. Aufl. Seite 553 ''10.3.5 Warum ist der Himmel blau?''; Springer-Verlag Berlin, ISBN 3-540-59278-4

= Technische Herstellung
= Die einfachste Art und Weise polarisiertes Licht herzustellen ist, ein Lichtbündel durch eine Polarisationsfolie fallen zu lassen. Hierbei wird genau 1 Schwingungsrichtung des Lichtes ausgefiltert und durch den Polarisationsfilter hindurchgelassen (ähnliche Schwingungsrichtungen gelangen abgeschwächt durch den Polarisationsfilter hindurch). Hinter der Polarisationsfolie tritt also linear polarisiertes Licht aus. Um totale Auslöschung hinter dem Polarisationsfilter zu erreichen, muss man einen 2. Polfilter hinter den 1. einfügen und zwar so, dass die durchgelassene Schwingungsrichtung des Filters normal (senkrecht) auf die des 1. Filters steht (also um 90° verdreht). Jetzt kommt keine Schwingungsrichtung des unpolarisierten Lichtes in Frage, das durch beide Polfilter hindurchdringen könnte. Der Raum hinter dem 2. Polarisationsfilter ist schwarz. Das Licht wurde ausgelöscht. >>>>>>Auf den ersten Blick ist dabei erstaunlich, dass ein dritter, um 45° gedrehter Filter zwischen dem ersten und dem zweiten die Auslöschung vermeidet: der nach dem ersten noch vorhandene Lichtanteil kann wieder zu einem Teil den zweiten Filter passieren, da dessen Polarisationsebene zum zweiten Filter ja nur um weitere 45° gedreht ist. Durch optisch aktive Stoffe (Flüssigkeiten: z. B. Glucoselösung, Kunststoffe: z. B. ein schnell abgekühltes Geo-Dreieck, Kristalle: z. B. Quarz) ist es möglich die Polarisationsebene zu drehen. So ist es z. B. möglich, eine Aufhellung durch einen optisch aktiven Stoff zu erreichen, wenn man diesen zwischen zwei Polfilter einfügt, die zuvor Auslöschung verursachten (also senkrecht aufeinander stehen). >>>>>>Version vom 18.März 2007<<<<Polfilter: Polarisationsfilter bestanden früher (ca. Mitte des 20. Jh) aus Herapathitkristallen, heute stellt man sie aber großteils aus Polyvinylalkoholen oder Zellulosehydraten her. Andere Instrumente, die das Polarisieren von Licht ermöglichen, sind: das Λ/4-Plättchen Viertelwellenplättchen (λ/4-Plättchen), das Halbwellenplättchen (λ/2-Plättchen) sowie div. Prismen (z. B. das Nicol'sche Prisma) und eigene Polarisationsapparate. Polarisation des Lichtes kann außerdem durch Streuung, Doppelbrechung und Reflexion hervorgerufen werden.

Erzeugung polarisierter Mikrowellen z. B. für den Satellitenfunk
Nachrichten- und Fernsehsatelliten nutzen entweder 2 verschiedene lineare Polarisationsebenen (horizontal / vertikal) oder 2 zirkulare Polarisationsrichtungen (links- oder rechtsdrehend), um die knappen, für den Satellitenfunk zur Verfügung stehenden Frequenzbänder besser ausnützen zu können. *Im Frequenzband Ku-Band (10,7 - 12,75 GHz) wird heute fast ausschließlich lineare Polarisation verwendet. Anfang der 1990er Jahre sollten allerdings reine Fernsehsatelliten zirkular polarisiert senden (siehe: Broadcasting Satellite Services BSS Band). *Im Frequenzband C-Band (3,7 - 4,2 GHz) sendeten dagegen bis vor kurzem fast alle Satelliten zirkular polarisiert, jedoch wird in letzter Zeit auch im C-Band lineare Polarisation häufiger verwendet. *Von der Merkur (Planet) Merkursonde MESSENGER ist bekannt, dass ihre Antennen die Signale zirkular polarisiert im Frequenzband X-Band senden. Linear polarisierte Mikrowellen werden dadurch erzeugt, dass der Sendedipol entweder „horizontal“ oder „vertikal“ ausgerichtet ist. Die so erzeugten Mikrowellen sind in der Ebene polarisiert, in der sich der Sendedipol befindet. Zum Empfang der linear polarisierten Signale muss sich der Empfangsdipol in der Ebene befinden, in der die zu empfangene Welle schwingt. Radiowellen niederer Frequenzen werden fast immer polarisiert abgestrahlt. Die Art der Polarisierung hängt von der Ausrichtung der Antenne ab. Sender im UHF/VHF-Bereich arbeiten - von Mobilfunksendern abgesehen - im Regelfall mit horizontaler Polarisation, da hierbei weniger Störungen auftreten. Im Kurzwellenbereich sind sowohl horizontale wie auch vertikale Polarisation üblich. Sender im Längst-, Lang- und Mittelwellenbereich arbeiten fast durchweg mit vertikaler Polarisation, da diese eine bessere Ausbreitung der Bodenwelle ermöglicht. Zirkularpolarisation wird für Rundfunkzwecke nur selten angewandt. Sie wird für Steilstrahlantennen im Mittelwellenbereich manchmal verwendet.

Analyse von polarisiertem Licht
Licht kann mit den gleichen Polarisatoren analysiert werden, mit denen man polarisiertes Licht herstellen kann. Man nennt die Polarisatoren ihrer Funktion entsprechend dann ''Analysatoren''. Ein Linear-Polarisator-Analysator-Paar, deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinander stehen, lässt kein Licht hindurch. Es gibt jedoch Substanzen, die die Polarisationsebene drehen können (→optische Aktivität). D.h. wenn man diese Substanzen zwischen Polarisator und Analysator stellt, kann man die optische Aktivität vermessen. Einen solchen Aufbau nennt man Polarimeter. Obwohl die Sonne unpolarisiertes Licht liefert, ist auch in der Natur teilpolarisiertes Licht zu beobachten. So ist beispielsweise das Streuung Streulicht des blauen Himmels linear teilpolarisiert und ebenso das an einer Wasseroberfläche reflektierte Licht. Viele Insekten nutzen diesen Effekt, um sich zu orientieren. Für die Biene Honigbiene wurde dies von Karl von Frisch erforscht. In anderen Bereichen wie etwa der Fotografie sind von polarisiertem Licht erzeugte Effekte aber meist nicht erwünscht und können durch den Einsatz eines Polarisationsfilter Polfilters unterdrückt werden.

Sichtbarkeit der Polarisation
Wilhelm Ritter von Haidinger (1795-1871) beschrieb zwischen 1844 und 1854 ein Kontrastphänomen, welches beim Betrachten einer mit polarisiertem weißem (oder bläulichem) Licht beleuchteten Fläche erscheint. Die blaue Achse der Erscheinung gibt die Richtung des elektrischen Feldes an, die gelbe Achse die des magnetischen Feldes. Nach einigen Sekunden verblasst die Erscheinung, wird aber durch eine Kopfdrehung wieder sichtbar.[http://www.physik.hu-berlin.de/ger/gruppen/didaktik/forschung/optik/grebe_ellis_dpg2002.pdf] Die Erscheinung wird nach ihrem Entdecker Haidinger-Büschel genannt.

Mathematische Beschreibung der Polarisation
Der Polarisationszustand kann durch die vierdimensionalen Reelle Zahlen reellwertigen Stokes-Vektor Stokesschen Vektoren oder durch die zweidimensionalen Komplexe Zahlen komplexwertigen Jonesscher Vektor Jonesschen Vektoren beschrieben werden. 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 Müllermatrix beziehungsweise einer Jonessche Matrix Jonesschen Matrix.

Videos

- Video vom "anderthalb" Lexikon über Polarisation langsame Verbindung
- Video vom "anderthalb" Lexikon über Polarisation schnelle Verbindung

Weblinks

- Virtuelles Polarisationsmikroskop
- Polarisation bei atomaren Übergängen

Quellen
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[Der Artikel zu Polarisation stammt aus dem Nachschlagewerk Wikipedia, der freien Enzyklopädie. Dort findet sich neben einer Übersicht der Autoren die Möglichkeit, den Original-Text des Artikels Polarisation zu editieren.
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