Polarisation in der Physik einfach erklärt – Erklärung und Anwendung

Sicherlich hast du schon einmal von polarisierten Sonnenbrillen gehört. Aber was hat es damit auf sich? Dazu schauen wir uns erst einmal die grundlegenden Eigenschaften der Polarisation an.

Wie wir wissen, ist Licht eine elektromagnetische Transversalwelle, d. h., elektrisches sowie magnetisches Feld stehen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Für die Polarisation genügt es, wenn wir uns das elektrische Feld anschauen. Die Polarisation beschreibt nun, in welche Richtung, d. h. in welcher Ebene, schwingt.

Unpolarisiertes Licht, wie z. B. Sonnenlicht, enthält verschiedene Schwingungsrichtungen und Beträge des elektrischen Felds. Durch sogenannte Polarisationsfilter kann polarisiertes Licht entstehen.

Polarisationsfilter sind Gitter, die aus parallel zueinander angeordneten Molekülketten bestehen. Die Achse, die senkrecht zu den Molekülketten steht, nennt man auch optische Achse oder Polarisationsachse. Ist die Schwingungsrichtung des elektrischen Felds des eintreffenden Lichts parallel zu den Molekülketten, können die Elektronen in den Ketten mitschwingen und die Energie absorbieren. Ist die Schwingungsrichtung von jedoch senkrecht zu den Molekülketten, passiert das Licht den Filter ungehindert. Bei anderen Winkeln zwischen der Schwingungsrichtung des elektrischen Felds der Welle und den Molekülketten wird nur jener Anteil von durchgelassen, der senkrecht zu den Ketten schwingt. 

Somit hat die Feldstärke hinter dem Gitter die Amplitude 

,

wobei die Feldstärke vor dem Filter beschreibt.

Entsprechend nimmt auch die Intensität des Lichts beim Passieren der Filter ab. 

Mithilfe dieser Polarisationsfilter kann man also unpolarisiertes Licht polarisieren oder auch polarisiertes Licht blockieren.

Dabei unterscheidet man zwischen folgenden Polarisationsarten:

1. Linear polarisiertes Licht
   Bei linear polarisiertem Licht schwingen die elektrischen Feldvektoren immer entlang einer Linie. Die Richtung ist somit konstant. Die Schwingung findet also nur in einer Ebene statt, die senkrecht auf der Ausbreitungsrichtung steht. Jedoch ändert sich der Betrag.
2. Zirkular polarisiertes Licht
   Bei zirkular polarisiertem Licht ändert sich die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldvektors , der Betrag bleibt jedoch gleich. Es entsteht somit eine spiralförmige Rotation von um die Achse der Ausbreitungsrichtung.
3. Elliptisch polarisiertes Licht
   Bei elliptisch polarisiertem Licht ändert sich sowohl die Schwingungsrichtung als auch der Betrag des elektrischen Feldvektors .

Der Winkel, unter dem die Filter hintereinander stehen, bestimmt, welcher Anteil des Lichts hinter den Filtern ankommt. 

Stehen zwei Polarisationsfilter parallel zueinander, hat der zweite Filter keinen Einfluss auf das Licht. Das Licht ist nach dem ersten Filter so linear polarisiert, dass es den zweiten dann uneingeschränkt passieren kann.

Schickt man Licht auf zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Filter, wird kein Licht hinter der Anordnung ankommen. Wählt man als ersten Filter einen mit horizontaler Polarisationsachse, sodass das Licht danach horizontal polarisiert ist, und den zweiten mit vertikaler optischer Achse, dann gibt es keinen vertikal polarisierten Anteil, der den zweiten Filter passieren kann.

Stehen die zwei Polarisationsfilter unter einem anderen Winkel als oder zueinander, kann ein Teil des Lichts beide Polarisationsfilter passieren. Immer der zur optischen Achse parallele Anteil kann den Filter passieren. 

Das Licht ist am Ende der Anordnung immer in Richtung der optischen Achse des letzten Polarisationsfilters polarisiert.

Auch durch Reflexion an z. B. Glas- oder Wasseroberflächen kann Licht polarisiert werden. Nur unter einem bestimmten Winkel, dem sogenannten Polarisationswinkel oder Brewsterwinkel, wird der reflektierte Strahl komplett polarisiert, der gebrochene nur teilweise. Die Polarisationsrichtung des reflektierten Strahls steht dabei senkrecht auf der Einfallsebene.

Wenn der reflektierte und gebrochene Strahl senkrecht aufeinander stehen, dann haben wir den Brewsterwinkel gefunden. Berechnen können wir diesen mithilfe der Brechungsindizes der beiden Medien:

,

wobei z. B. beim Übergang von Luft in Glas der Brechungsindex von Luft und derjenige von Glas ist.

Das bekannteste Beispiel von Polarisation im Alltag ist die polarisierte Sonnenbrille. Mithilfe eines Polarisationsfilters wird reflektiertes Licht von z. B. einer Wasseroberfläche polarisiert bzw. blockiert, sodass man weniger geblendet wird.

Auch bei der Fotografie spielt Polarisation eine wichtige Rolle.