Optik

Polarisation

Geschichte der Polarisation

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

Geschichte der Polarisation

Éienne Louis MALUS
[Public domain],
via Wikimedia Commons

Die Phänomene der Beugung und Interferenz beim Licht kann man als wichtige Belege für die Wellennatur des Lichts heranziehen. Die Wissenschaftler Augustin Jean FRESNEL (1788 - 1827) und Thomas YOUNG (1773 - 1829) lieferten hierfür wesentliche experimentelle Erkenntnisse. Sie gingen davon aus, dass sich Lichtwellen - ähnlich wie Schallwellen in Luft - in einem Medium, der als Äther bezeichnet wurde, fortpflanzen. Dieser Äther sollte das ganze Universum, samt allen Körpern, die sich in diesem Universum befinden, durchdringen. Man vermutete, dass dieser Äther sich wie eine extrem dünne Flüssigkeit oder ein ganz leichtes Gas verhielt.

Für die Ausbreitung von elastischen Transversalwellen (Querwellen) müssen in dem Ausbreitungsmedium (Äther) Querkräfte möglich sein. Solche Querkräfte sind aber in einem Äther mit den oben beschriebenen Eigenschaften (extrem dünne Flüssigkeit oder sehr leichtes Gas) nicht möglich. Man ging daher zu Zeiten FRESNELs und YOUNGs zunächst davon aus, dass Licht eine elastische Longitudinalwelle (Längswelle) ist. Bei Längswellen erfolgt die Bewegung der von der Welle erfassten Oszillatoren (Schwinger) in Ausbreitungsrichtung. Quer zur Ausbreitungsrichtung herrscht bei der Längswelle völlige Symmetrie, d.h. keine Richtung quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle ist bevorzugt. Man sagte damals "die Lichtwelle besitzt keine Seitlichkeit".

Bei der Untersuchung des Lichtdurchgangs durch einen besonderen Kristall (Kalkspat, engl.: iceland stone) stellte der französische Physiker Éienne Louis MALUS (1775 - 1812) im Jahre 1808 fest, dass Licht unter bestimmten Umständen seine Symmetrie um die Fortpflanzungsrichtung verliert und somit eine "Seitlichkeit" aufweist. Diese Eigenschaft nannte man nach dem Vorschlag von MALUS "Polarisation".

Im Jahre 1809 veröffentlichte MALUS seine Erkenntnisse über die Polarisation durch Reflexion und im Jahre 1810 stellte er seine Theorie zur Doppelbrechung vor.

In der nebenstehend skizzierten Anordnung trifft unpolarisiertes Licht auf das 1. Polarisationsfilter. Nach diesem Filter ist das Licht linear polarisiert. Die Amplitude der elektrischen Feldstärke dieses linear polarisierten Lichts sei \(E_0\). Die Polarisationsrichtung des zweiten Filters ist gegenüber der des ersten Filters um den Winkel \(\vartheta \) verdreht.

Für die Amplitude der elektrischen Feldstärke \(E_\vartheta\) nach dem 2. Filter gilt
\[{E_\vartheta } = {E_0} \cdot \cos \left( \vartheta  \right) \]
Da die Lichtintensität proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke ist (\(J \sim {E^2}\)) gilt dann das

 

Gesetz von MALUS

\[J(\vartheta ) = {J_0} \cdot {\left( {\cos \left( \vartheta  \right)} \right)^2}\]

Hinweise

Polarisierbare Wellen sind immer Transversalwellen; bei Longitudinalwellen gibt es keine Polarisation.

Das Problem mit dem Äther bei elektromagnetischen Wellen - zu denen auch das Licht gehört - wurde erst im 20. Jahrhundert durch Albert EINSTEIN gelöst.

Interessanter Aspekt

Es ist bekannt, dass die Wikinger den amerikanischen Kontinent schon vor Christoph Kolumbus entdeckten. Man rätselte, wie sich diese nordischen Seeleute auf dem Meer orientierten. Oft war für diese Seeleute der Sonnenstand nicht klar zu erkennen, da der Himmel bedeckt war. Neuere Untersuchungen gehen davon aus, dass die Wikinger zur relativ genauen Feststellung des Sonnenstandes (auch bei bedecktem Himmel) einen doppelbrechenden Kristall (iceland stone) benutzten. Vergleichen Sie hierzu den folgenden Artikel auf Spiegel-Online.

Druckversion