Polarisation

Licht

Licht, das von glänzenden transparenten Materialien reflektiert wird, ist teilweise oder vollständig polarisiert, außer wenn das Licht senkrecht zur Oberfläche steht. Die Polarisation wurde erstmals 1808 von dem Mathematiker Etienne Louis Malus entdeckt. Ein Polarisationsfilter, wie z.B. eine polarisierende Sonnenbrille, kann verwendet werden, um diesen Effekt zu beobachten, indem der Filter gedreht wird, während man durch ihn hindurch auf die Reflexion einer entfernten horizontalen Oberfläche schaut. Bei bestimmten Drehwinkeln wird das reflektierte Licht reduziert oder eliminiert. Polarisationsfilter entfernen Licht, das unter 90° zur Polarisationsachse des Filters polarisiert ist. Wenn zwei Polarisatoren in einem Winkel von 90° zueinander übereinander angeordnet sind, kann nur sehr wenig Licht durch beide hindurchgehen.

Die Polarisation durch Streuung wird beobachtet, wenn Licht durch die Atmosphäre fällt. Das gestreute Licht erzeugt die Helligkeit und Farbe bei klarem Himmel. Diese Teilpolarisation des gestreuten Lichts kann verwendet werden, um den Himmel in Fotografien abzudunkeln und den Kontrast zu erhöhen. Dieser Effekt ist am einfachsten bei Sonnenuntergang zu beobachten, am Horizont in einem Winkel von 90° zur untergehenden Sonne. Ein weiterer leicht zu beobachtender Effekt ist die drastische Verringerung der Helligkeit von Bildern des Himmels und von Wolken, die von horizontalen Flächen reflektiert werden. Aus diesem Grund werden in Sonnenbrillen häufig Polarisationsfilter verwendet. Polarisierende Sonnenbrillen zeigen auch regenbogenähnliche Muster, die durch farbabhängige Doppelbrechungseffekte verursacht werden, z.B. in vorgespanntem Glas (z.B. Autoscheiben) oder Gegenständen aus transparentem Kunststoff. Die Rolle, die die Polarisation beim Betrieb von Flüssigkristallanzeigen (LCDs) spielt, ist auch für den Träger einer polarisierenden Sonnenbrille häufig erkennbar, was den Kontrast vermindern oder die Anzeige sogar unlesbar machen kann.

Polarisationsfilter

Die Polarisierung von Licht ist nützlich, nachdem es gefiltert wurde. Ein Filter trennt Licht mit einem Polarisationstyp von anderen Typen. Das meiste Tageslicht, oder das Licht einer Glühbirne, hat eine Mischung von Polarisationen (Laser sind eine Ausnahme). Der Filter funktioniert ähnlich wie der Versuch, eine Spielkarte durch einen Kamm zu stecken - nur wenn die Karte in die richtige Richtung gedreht wird, passt sie. Licht, das in eine andere Richtung gedreht wird, wird vom Filter blockiert. Flüssigkristallanzeigen (LCDs) verwenden dies, um Licht zu blockieren, um Buchstaben oder Zahlen auf einer Anzeige darzustellen. Brillen mit unterschiedlichen Polarisationsfiltern für jedes Auge können das für das linke und das rechte Auge bestimmte Licht trennen. Dies ist eine gängige Methode zur Herstellung von 3D-Filmen und 3D-Fernsehen.

In der Natur hat Licht, das von einer Oberfläche abprallt, manchmal die gleiche Polarisation - dies wird als "Blendung" durch ein Fenster oder Wasser bezeichnet. Ein Polarisationsfilter an einer Kamera entfernt diese Blendung, um den Blick durch das Fenster oder Wasser zu erleichtern (oder kann die Blendung verstärken, je nachdem, wie sie gedreht wird).

Das Foto auf der rechten Seite wurde durch eine polarisierende Sonnenbrille und durch die Heckscheibe eines Autos aufgenommen. Licht vom Himmel wird von der Windschutzscheibe des anderen Autos in einem Winkel reflektiert, so dass es meist horizontal polarisiert ist. Die Heckscheibe besteht aus gehärtetem Glas. Spannungen aus der Wärmebehandlung des Glases verändern die Polarisation des durch sie hindurchtretenden Lichts wie eine Wellenplatte. Ohne diesen Effekt würde die Sonnenbrille das horizontal polarisierte Licht, das von der Scheibe des anderen Autos reflektiert wird, blockieren. Durch die Spannung in der Heckscheibe wird jedoch ein Teil des horizontal polarisierten Lichts in vertikal polarisiertes Licht umgewandelt, das durch die Gläser hindurchtreten kann. Infolgedessen wird das regelmäßige Muster der Wärmebehandlung sichtbar.

Wirkung eines Polarisators auf die Reflexion vom Wattenmeer. Im Bild links wird der Polarisator gedreht, um die Reflexionen so gut wie möglich zu übertragen; durch Drehen des Polarisators um 90° (Bild rechts) wird fast das gesamte spiegelnd reflektierte Sonnenlicht blockiert.


Die Auswirkungen eines Polarisationsfilters auf den Himmel in einer Fotografie. Im Bild rechts wird der Filter verwendet.


Polarisierende Sonnenbrillen verraten Stress im Autofenster (Erklärung siehe Text).

Elektromagnetisch

Andere elektromagnetische Wellen haben ebenfalls eine Polarisation, aber sie kann auf unterschiedliche Weise auftreten.

Allgemeine Polarisierung: Einige Wellen können beschrieben werden, indem das elektrischeFeld senkrecht zur Richtung der Welle steht, und diese werden TE-Wellen (transversale elektrische Wellen) genannt. Andere haben ein magnetisches Feld senkrecht zur Wellenrichtung und werden als TM-Wellen (transversale magnetische Wellen) bezeichnet. Dies sind die allgemeinsten Arten der Wellenpolarisation. Sie können auch als vertikal oder horizontal polarisierte Wellen bezeichnet werden. Wenn sowohl das elektrische Feld als auch das magnetische Feld senkrecht zur Richtung der Welle stehen, wird die Welle TEM (transversale elektromagnetische Welle) genannt. Lineare, zirkulare und elliptische Polarisationen sind Sonderfälle der TEM-Polarisation.

Lineare, zirkulare und elliptische Polarisationen sind drei spezifische Arten der TEM-Polarisation. Sie können nicht in der Nähe einer Antenne gemessen werden. Weit entfernt von einer Antenne sind die Felder TEM, so dass diese verwendet werden können. Sie sind leicht vorstellbar, wenn man von der Welle aus direkt auf die Welle schaut.

Lineare Polarisation

Wenn man in Richtung der Welle schaut, ist das elektrische Feld eine einzige gerade Linie. Wenn die Richtung des elektrischen Feldes konstant bleibt, auch wenn sich die Größe oder der Betrag ändern darf, wird der Polarisationszustand als linear bezeichnet. Der Grund dafür ist, dass die Spitze des elektrischen Feldvektors eine gerade Linie in der Ebene senkrecht zur Vorwärtsrichtung der Welle verläuft. (Ähnlich wie man ein Springseil auf und ab schüttelt, wenn man das Seil von einem Ende aus betrachtet. Das sich bewegende Seil wird die Form einer Linie bilden).

Zirkulare Polarisation

In der Richtung der Welle betrachtet, zeichnet das elektrische Feld die Form eines Kreises nach. Wenn die Grösse des elektrischen Feldes konstant bleibt und man die Richtung variieren lässt, wird der Polarisationszustand als zirkular bezeichnet, weil die Spitze des elektrischen Feldes in der Ebene senkrecht zur Vorwärtsrichtung der Welle einen Kreis beschreibt. Insbesondere kann der Kreis im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn (während sich die Welle fortbewegt) nachgezeichnet werden. (Dies ähnelt dem Herumschwingen eines Sprungseils zum Springen, es entsteht eine Kreisform).

Elliptische Polarisation

Dies ist wie bei der zirkularen Polarisation, aber die Größe ändert sich, wenn sie sich dreht und eine Ellipse bildet.