Polarisation

Optik

Polarisation

  • Wie polarisiert man Licht?
  • Wie funktioniert ein Polarisationsfilter?
  • Wo wird polarisiertes Licht genutzt?

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Die Polarisation beschreibt die Schwingungsrichtung einer Transversalwelle.
  • Lineare Polarisationsfilter können nur von Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung passiert werden.
  • Laserlicht und das Licht von Computerdisplays ist polarisiert.

Polarisationsrichtung ist die Schwingungsrichtung

Im Wellenmodell ist Licht eine senkrecht zur ihrer Ausbreitungsrichtung schwingende Welle, also eine Transversalwelle. Die Polarisation bzw. die Polarisationsrichtung der Welle beschreibt, in welcher Richtung die Welle schwingt. Dabei bezieht man sich meist auf die Richtung des E-Feld-Vektors. Der B-Feld-Vektor schwingt entsprechend senkrecht zur Polarisationsrichtung. 

Polarisationsfilter

Sonnenlicht oder das Licht von Lampen ist meistens nicht polarisiert. Das heißt, jeder Wellenzug des Lichtes schwingt zufällig in eine Raumrichtung. Um aus unpolarisiertem Licht polarisiertes Licht zu machen, werden Polarisationsfilter (kurz: Polfilter) genutzt. Ein idealer Polarisationsfilter lässt nur den Anteil des Lichtes passieren, der parallel zur sog. optischen Achse des Filter schwingt. Alle anderen Anteile werden vom Filter absorbiert. Die Intensität des Lichtes nimmt daher beim Durchgang durch einen Polfilter i.d.R. ab.

Polarisation von Licht durch einen linearen Polfilter

Funktion eines Polarisationsfilters

Aufbau eines Polarisationsfilters

Polarisationsfilter bestehen meist aus langen Kettenmolekülen, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Ihre Ausrichtung entspricht entspricht den in den Grafiken blau dargestellten Stegen der Polfilter. Eine elektromagnetische Welle, deren E-Feld-Vektor in Richtung dieser Stege schwingt, kann mit diesen gut Wechselwirken und hierin in dieser Richtung sehr einfach Schwingungen anregen. Daher wird die Welle von Filter absorbiert. Eine Welle, deren E-Feld hingegen senkrecht zur Richtung der langen Kettenmoleküle schwingt, kann hingegen kaum Schwingungen anregen. Die Welle passiert den Filter.

Dieses Verhalten kann auch sehr gut in Analogieversuchen mit Mikrowellen gezeigt werden. Hierbei kann die Struktur der Polfilter mit bloßem Auge wahrgenommen werden. Ein Beispiel ist hier zu finden.

Analogie zu mechanischen Wellen

Polarisation von Licht kann auch in Analogie zu mechanischen Wellen dargestellt werden, bspw. durch ein entsprechendes Drahtmodell. Eine Reihe eng beeinanderliegende Spalte dienen hier als Polarisationsfilter.

Aber Achtung: In einem solchen Modell stellen die Drahtwellen das B-Feld der Welle dar!

Quellen für polarisiertes Licht

  • Laser erzeugen i.d.R. polarisiertes Licht. Positionierst du einen Polarisationsfilter zwischen Laser und Schirm und drehst den Filter, so ändert der Lichtfleck auf dem Schirm seine Helligkeit.
  • Das Licht von LCD-Bildschirmen ohne Touch-Funktion ist in der Regel auch polarisiert.
  • Durch Streuung, Reflexion oder Doppelbrechung kann ebenso polarisiertes Licht entstehen.
    Daher sind teure Sonnenbrillen oft mit Polarisationsfiltern versehen. So filtern die Sonnenbrillen bspw. unerwünschte Lichtreflexionen von Glasscheiben, da es sich hierbei um polarisiertes Licht handelt.

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Passiert unpolarisiertes Licht einen idealen linearen Polarisationsfilter, so halbiert sich seine Intensität.
  • Sind zwei Polarisationsfilter mit ihren Polarisationsachsen senkrecht zueinander ausgerichtet, kann kein Licht die Anordnung passieren.
  • Sind zwei Polarisationsfilter mit ihren Polarisationsachsen verdreht zueinander ausgerichtet, passiert ein Teil des Lichtes die Anordnung mit geänderter Polarisationsrichtung.

Intensität des Lichtes

Trifft unpolarisiertes Licht der Intensität \(I_0\) auf einen idealen linearen Polarisationsfilter, so wird die Intensität durch den Polarisationsfilter auf \(I=\frac{I_0}{2}\) reduziert.

Zwei Polarisationsfilter kombiniert

Wenn du zwei Polarisationsfilter hintereinander in der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahls positionierst, so bestimmt die Ausrichtung der Polarisationsfilter zueinander, welcher Teil des Lichtes die Anordnung passiert.

Polarisationsfilter parallel zueinander

Wenn die beiden Polarisationsfilter parallel zueinander ausgerichtet sind, dann hat der zweite Filter keinerlei Auswirkungen mehr. Das Licht, das so polarisiert ist, dass es den ersten Filter passieren kann, kann auch den zweiten Filter vollständig und unverändert passieren.

Licht beim Durchgang durch zwei parallel zueinander ausgerichtete Polarisationsfilter
Polarisationsfilter senkrecht zueinander

Wenn die beiden Polarisationsfilter senkrecht zueinander ausgerichtet sind, dann kann kein Licht die Anordnung passieren. Ist die Polarisationsachse des ersten Filters vertikal ausgerichtet, so ist das Licht hinter dem  Filter vertikal polarisiert und besitzt keinen horizontal polarisierten Anteil mehr. Somit kann kein Teil dieses Lichtes den zweiten Filter passieren.

Licht beim Durchgang durch senkrecht zueinander ausgerichtete Polarisationsfilter
Polarisationsfilter verdreht zueinander

Sind die beiden Polarisationsfilter verdreht zueinander ausgerichtet, zum Beispiel um 45°, so passiert ein Teil des Lichtes auch den zweiten Polarisationsfilter. Der E-Feld-Vektor des auftreffenden Lichtes wird dabei in einen Teil parallel und einen Teil senkrecht zur optischen Achse des Filters zerlegt. Der parallele Teil kann den Filter passieren. Entsprechend ist das Licht im Anschluss auch in der Richtung der Polarisationsachse des zweiten Filters polarisiert.

Licht beim Durchgang durch um 45° verdrehte Polarisationsfilter

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Gesetz von Malus: \(I=I_0\cdot \cos^2\left( \alpha \right)\)

Unpolarisiertes Licht passiert einen Polarisationsfilter. Das nun linear polarisierte Licht hat die Intensität \(I_0\). Nun passiert es einen zweiten linearen Polarisationsfilter, der gegenüber dem ersten um den Winkel \(\alpha\) verdreht ist.

Für die Intensität \(I\) des Lichtes nach Passieren des zweiten Polarisationsfilters gilt dann das sog. Gesetz von Malus:

\[I=I_0\cdot \cos^2\left( \alpha \right)\]

Das Licht hinter dem Polarisationsfilter ist dann in der Richtung der optischen Achse des zweiten Polarisationsfilters polarisiert.

Gesetz von Malus

Auswirkungen

Das Gesetz von Malus führt auch zu folgendem Effekt: Hinter einer beliebigen Lichtquelle sind zwei Polarisationsfilter so positioniert, dass ihrePolarisationsachsen senkrecht zueinander stehen. Der Schirm hinter der Anordnung ist dunkel, da das Licht die Anordnung aus gekreuzten Polarisationsfiltern nicht passieren kann. Wird nun ein dritter linearer Polarisationsfilter so zwischen die beiden gekreuzten Filter gebracht, dass seine Achse weder parallel zum ersten noch parallel zum zweiten Filter ausgerichtet ist, so trifft Licht auf den Schirm.

Gesetz von Malus an zwei gekreuzten PolarisationsfilternIntensitäten bei zwei gekreuzten Polarisationsfiltern
Gesetz von Malus an einer Reihe aus drei PolarisationsfilternIntensitäten bei ergänztem dritten Polarisationsfilter zwischen dem gekreuzten Filterpaar
Verständnisaufgabe

Wie würden sich die Intensitäten verändern, wenn der dritte Polarisationsfilter mit der um 45° verdrehten Achse nicht zwischen die beiden senkrecht zueinander stehenden Filter, sondern davor positioniert würde? Markiere alle zutreffenden Aussagen.

Lösungsvorschläge
Lösung

Richtig sind die Antworten 1, 3 und 4, da zwischen den ersten beiden Filtern für Winkel \(\alpha = 45^{\circ}\) gilt und zwischen Filter 2 und 3 für den Winkel \(\alpha = 90^{\circ}\) gilt.

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