Polarisation

Licht- und elektromagnetische Wellen (Elektromagnetische Strahlung) schwingen normalerweise senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (Transversalwellen) nach allen Richtungen. Werden durch P. prismen, durch Filter oder sog. Beugungsgitter einzelne Schwingungsrichtungen bevorzugt und andere unterdrückt, spricht man von P. Polarisiertes Licht wird im Polarisationsmikroskop zur Untersuchung anisotroper (iso) Materialien, zur Sichtbarmachung innerer Spannungen in transparenten Körpern (Spannungsoptik) und in zahlr. optischen Geräten erzeugt und genutzt. Im Modellbau: HFAusbreitung Schwingungen und WellenFestkörperphysik, 1) Schwingungen und Wellen: Bezeichnung für den Schwingungszustand vektorieller Wellen. Während bei skalaren Wellen (wie z.B. Schallwellen) die Angabe eines Skalars (etwa des Drucks) als Funktion von Ort und Zeit genügt, um die Welle vollständig zu beschreiben, ist es bei Vektorwellen erforderlich, zusätzlich die Richtung des Feldvektors anzugeben. Zwischen den Komponenten des Feldvektors besteht bei vollständig polarisierten Wellen eine feste Phasenbeziehung. Fehlt eine solche Beziehung völlig, so ändert sich die Schwingungsrichtung vollkommen unregelmässig und die Welle ist unpolarisiert.

Spezialfälle der Polarisation sind longitudinal polarisierte Wellen und transversal polarisierte Wellen, bei denen der Feldvektor parallel bzw. senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingt. Elektromagnetische Wellen (z.B. Lichtwellen) sind in isotropen Medien oder im Vakuum transversale Wellen, während sie in anisotropen Medien (z.B. diversen Kristallen) auch Zwischenformen annehmen.

Bei Transversalwellen kann weiter zwischen linear polarisierten, zirkular polarisierten sowie elliptisch polarisierten Wellen unterschieden werden. Die Klassifizierung erfolgt anhand des Phasenunterschieds, den die Komponenten des Feldvektors in aufeinander senkrechten Richtungen bilden. Sind beide Komponenten in Phase, spricht man von linear polarisierten Wellen. Der Feldvektor schwingt dann in einer Ebene (siehe Abb. 1). Bei Lichtwellen bezeichnet man die Ebene, die den Lichtstrahl und den elektrischen Feldvektor enthält, als Schwingungsebene. Die dazu senkrecht stehende Ebene, die den Lichtstrahl und den magnetischen Feldvektor enthält, heisst Polarisationsebene. Zirkular polarisierte Wellen liegen vor, wenn die aufeinander senkrecht stehenden Komponenten des Feldvektors gleiche Amplitude und einen Phasenunterschied von  besitzen. In diesem Fall läuft die Schwingungsrichtung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um die Ausbreitungsrichtung der Welle, und der Endpunkt des umlaufenden Feldvektors beschreibt - projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung - einen Kreis. Eine elliptisch polarisierte Welle liegt vor, wenn der Phasenunterschied und die Amplitude der Komponenten beliebig sind, jedoch noch immer eine feste Phasenbeziehung besteht. In diesem Fall beschreibt der Endpunkt des Lichtvektors - projiziert auf eine Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung - eine Ellipse. Zirkular und linear polarisierte Wellen sind also Sonderfälle der elliptisch polarisierten Wellen.

Bei zirkular und elliptisch polarisierten Wellen spricht man von links und rechts zirkular bzw. elliptisch polarisierten Wellen, je nachdem, ob der Feldvektor bei Betrachtung der ankommenden Welle links oder rechts herum läuft.

Zur quantitativen Kennzeichnung des Polarisationszustandes dienen gemittelte Intensitätsgrössen, wobei durch die Mittelung solche Produkte wegfallen, deren Faktoren keine regelmässigen Phasenbeziehungen zueinander haben. Die Gesamtintensität I kann damit aufgespalten werden in einen polarisierten Anteil I_p und einen unpolarisierten Anteil I_u. Das Verhältnis I_p / I heisst Polarisationsgrad und variiert zwischen 0 für unpolarisierte Wellen und 1 für vollständig polarisierte Wellen.

Die optische Polarisation tritt bei Reflexion oder Transmission von unpolarisiertem Licht durch Flüssigkeiten mit Dipolmoment auf. Verantwortlich für die Polarisation ist eine Vorzugsrichtung der meist stabförmigen Moleküle, die zu einer Anisotropie der optischen Konstanten führt. Die Polarisation des Lichts kann beim Durchgang durch Flüssigkeiten mit starkem Dipolmoment durch Anlegen eines äusseren elektrischen Feldes gedreht oder auch zerstört werden; ein Effekt, der bei LCDs ausgenützt wird. Nematische Flüssigkeitskristalle (nematische Phase) rufen dabei lineare Polarisation, cholesterische Flüssigkeitskristalle (cholesterische Phase) zirkulare bzw. elliptische Polarisation hervor.

2) Kern- und Teilchenphysik: Das Auftreten einer Vorzugsrichtung für den Spin von Teilchen. Der Mittelwert des Spinvektors definiert die Polarisationsrichtung. Für Neutrinos ist eine Zuordnung von Polarisations- und Bewegungsrichtung (Impulsrichtung) möglich, sie sind longitudinal polarisiert. Die Beschreibung des Spinzustandes durch eine Wellenfunktion liefert stets einen Zustand vollständiger Polarisation zu einer beliebig vorgegebenen Polarisationsrichtung. Zur Beschreibung teilweise polarisierter oder unpolarisierter Teilchen sind Dichteoperatoren erforderlich.

3) elektrische Polarisation.

Polarisation 1: Linear polarisierte Welle. Die Amplitudenvektoren schwingen bei der linearen Polarisation in einer raumfesten Ebene.

Polarisation 2: Polarisation durch Reflexion an einem Glasspiegel.
Spiegel P wirkt als Polarisator, Spiegel A als Analysator. Die Pfeile mit Punkten stellen die Schwingungrichtung des Lichtvektors senkrecht zur Bildebene dar.

Polarisation 3: Polarisation durch Brechung an einem Glasplattensatz. Der Lichtvektor teilt sich auf in einen Strahl mit Schwingungsrichtung senkrecht zur Bildebene (Pfeil mit Punkten) und einen mit Schwingungsrichtung parallel zur Bildebene.