Polarisation (auch Polarisierung) beschreibt die Richtung der Schwingung einer Welle senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Bei manchen Wellenarten schwingt nicht nur die Ausbreitungsrichtung, sondern zusätzlich ein Feld- oder Teilchenvektor in einer bestimmten Richtung. Ein anschauliches Beispiel sind Wasserwellen: die Welle bewegt sich über die Fläche, gleichzeitig werden Wassertropfen an der Oberfläche auf und ab bzw. leicht in Kreisbahnen bewegt. Lichtwellen sind elektromagnetische Wellen und verhalten sich wie Transversalwellen, das heißt ihre elektrischen und magnetischen Feldvektoren schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Zugleich besitzt Licht wellen- und teilchenhafte Eigenschaften (Partikel genannt: Photonen). Schallwellen in Gasen und Flüssigkeiten haben hingegen meist keine Polarisation, weil sie Longitudinalwellen sind; in Festkörpern können aber auch transversale Schallwellen mit Polarisation auftreten.
Definition und Bild
Polarisation beschreibt die Orientierung der Schwingung eines Vektorfeldes (bei Licht das elektrische Feld) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Man kann sich das elektrische Feld E(t) an einem Ort als Vektor vorstellen, dessen Spitze in der Ebene eine bestimmte Spur (z. B. gerade Linie, Kreis, Ellipse) beschreibt. Diese Spur bestimmt die Art der Polarisation.
Arten der Polarisation
- Linearpolarisation: Die Feldvektoren schwingen entlang einer festen Geraden (z. B. horizontal oder vertikal).
- Zirkularpolarisation: Die Spitze des Feldvektors dreht sich mit konstanter Drehgeschwindigkeit auf einem Kreis; links- oder rechtszirkular möglich.
- Elliptische Polarisation: Allgemeiner Fall, bei dem die Spur eine Ellipse ist (dazu gehört die zirkulare Polarisation als Spezialfall).
- Unpolarisiertes Licht: Die Schwingungsrichtung ändert zufällig schnell; es liegt keine bevorzugte Orientierung vor (z. B. Sonnenlicht).
Erzeugung und Analyse
- Polarisationsfilter (Polarisatoren): lassen nur eine bestimmte Schwingungsrichtung durch (z. B. Polaroid-Folien).
- Doppelbrechung (Birefringenz): anisotrope Materialien teilen eine einfallende Welle in zwei linear unterschiedlich polarisierte Komponenten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit.
- Wellenplatten (z. B. Viertel- oder Halbwellplatten): verändern Phasenbeziehungen zwischen Komponenten und wandeln so lineare in zirkulare/elliptische Polarisation und umgekehrt.
- Streuung und Reflexion: z. B. Rayleigh-Streuung in der Atmosphäre erzeugt eine starke Polarisation des Himmelslichts; Reflexion an Oberflächen kann polarisiertes Licht erzeugen (Brewster-Winkel).
- Messgrößen: Polarisation lässt sich mathematisch mit Jones- oder Stokes-Vektoren beschreiben; Messungen erfolgen mit Analysatoren und Polarisationsdetektoren.
Beispiele und Anwendungen
- Sonnenbrillen mit Polfilter reduzieren Blendung durch polarisiertes, reflektiertes Licht.
- LCD-Bildschirme nutzen Polarisatoren und Flüssigkristalle, um die Lichtdurchlässigkeit abhängig von Feld und Polarisationsrichtung zu steuern.
- Polarisation in der Fernerkundung und Astronomie liefert Informationen über Oberflächenbeschaffenheit, Streuungsprozesse und Magnetfelder.
- 3D-Kinoprojektion verwendet z. T. unterschiedlich polarisierte Bilder für linkes und rechtes Auge.
- Materialprüfungen (Photoelastizität) zeigen Spannungsfelder in transparenten Körpern durch Polarisationsänderungen.
Physikalischer Hintergrund kurz
Elektromagnetische Wellen bestehen aus elektrischen und magnetischen Feldvektoren, die senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung stehen. Die Polarisation bezieht sich in der Praxis meist auf die Richtung des elektrischen Feldes. Mathematisch kann die Polarisation durch die Relative Amplitude und Phase zweier orthogonaler Komponenten (z. B. x- und y-Richtung) beschrieben werden. Aus der Kombination dieser Komponenten ergibt sich die Form der Schwingungsbahn (linear, elliptisch, zirkular).
Wichtige Hinweise
- Der Begriff Polarisation gilt vor allem für Transversal- oder vektorielle Wellen (z. B. Licht, transversale elastische Wellen). Longitudinalwellen in Fluiden (z. B. Luftschall) sind normalerweise nicht polarisiert.
- Bei Wasserwellen sind die Bewegungen oft komplex (Auf-/Abbewegung, Vorwärts-/Rückwärtsanteile, manchmal elliptische Partikelbahnen) — sie sind also nicht immer rein transversal im idealisierten Sinn.
