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Polarisation von Licht einfach erklärt
Polarisation beschreibt die Richtung, in der das elektrische Feld einer Lichtwelle schwingt. Sie zeigt, dass Licht eine Transversalwelle ist. Mit Polarisationsfiltern kannst du eine Schwingungsrichtung auswählen und die Lichtintensität gezielt verändern.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was wird bei Licht polarisiert?
Licht besteht aus einem elektrischen Feld und einem magnetischen Feld. Beide Felder stehen senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Deshalb ist Licht eine elektromagnetische Transversalwelle.
Polarisation
Die Polarisation beschreibt, wie sich der elektrische Feldvektor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung bewegt. Meist betrachtet man dafür nur das elektrische Feld, kurz E-Feld.
Bei unpolarisiertem Licht besitzen die einzelnen Wellenzüge keine gemeinsame Vorzugsrichtung. Sonnenlicht und Licht thermischer Lampen sind im Allgemeinen unpolarisiert.
Bei linear polarisiertem Licht bleibt die Schwingungsrichtung des E-Feldes fest. Die Feldstärke ändert dabei periodisch ihren Betrag und ihr Vorzeichen.
Stell dir eine Lichtwelle vor, die nach vorn läuft. Schwingt ihr E-Feld stets nur nach oben und unten, ist das Licht vertikal linear polarisiert. Schwingen verschiedene Wellenzüge dagegen in zufällig verteilten Richtungen, ist das Licht unpolarisiert.
Nur Transversalwellen können polarisiert werden. Die Polarisation betrifft eine Richtung senkrecht zur Ausbreitung der Welle.
Wie wählt ein Polarisationsfilter eine Richtung aus?
Ein linearer Polarisationsfilter enthält modellhaft parallel ausgerichtete lange Molekülketten. E-Feldanteile parallel zu diesen Ketten regen Ladungen zum Schwingen an und werden weitgehend absorbiert. Die dazu senkrechte Komponente passiert den Filter.
Die Durchlassachse des Filters zeigt daher in die Richtung des durchgelassenen E-Feldes. Sie steht senkrecht zur Richtung der Molekülketten.
Trifft unpolarisiertes Licht auf einen idealen linearen Filter, bleibt hinter ihm nur die Feldkomponente entlang der Durchlassachse übrig. Das austretende Licht ist linear polarisiert. Seine Intensität beträgt im idealisierten Fall die Hälfte der ursprünglichen Intensität.
Ein zweiter Filter wird Analysator genannt, wenn du mit ihm die vorhandene Polarisation untersuchst:
- Parallele Achsen: Das Licht passiert den zweiten idealen Filter ohne weitere winkelbedingte Abschwächung.
- Um $90^\circ$ gekreuzte Achsen: Der zweite Filter lässt keine passende Feldkomponente durch; idealerweise bleibt es dunkel.
- Zwischenstellung: Ein Teil des Lichts passiert den Analysator.
Die Polarisationsrichtung hinter einem idealen linearen Filter entspricht immer seiner Durchlassachse.
Wie berechnest du die Intensität hinter zwei Filtern?
Für linear polarisiertes Licht gilt beim idealen Analysator das Malus-Gesetz:
$$I = I_P \cdot \cos^2(\varphi)$$
Dabei bedeuten:
- $I$: Intensität hinter dem Analysator,
- $I_P$: Intensität vor dem Analysator beziehungsweise bei parallelen Achsen,
- $\varphi$: Winkel zwischen der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts und der Analysatorachse.
Vor dem Analysator beträgt die Intensität $I_P = 8\,\mathrm{W/m^2}$. Der Winkel ist $\varphi = 60^\circ$.
Zuerst setzt du die Werte in das Malus-Gesetz ein:
$$I = 8\,\mathrm{W/m^2} \cdot \cos^2(60^\circ)$$
Weil $\cos(60^\circ)=0{,}5$ gilt, folgt:
$$I = 8\,\mathrm{W/m^2} \cdot 0{,}25 = 2\,\mathrm{W/m^2}$$
Hinter dem Analysator beträgt die Intensität also $2\,\mathrm{W/m^2}$. Das Ergebnis ist plausibel: Es liegt zwischen vollständiger Transmission bei $0^\circ$ und idealer Auslöschung bei $90^\circ$.
Achte auf die Bezugsgröße: Trifft zuerst unpolarisiertes Licht auf einen idealen Polarisator, wird dessen Intensität zunächst halbiert. Erst danach wendest du das Malus-Gesetz auf den Winkel zum zweiten Filter an.
Welche Polarisationsarten gibt es?
Die Spitze des E-Feldvektors kann sich unterschiedlich bewegen, wenn du entlang der Ausbreitungsrichtung auf die Welle blickst.
Lineare Polarisation
Die Spitze des E-Feldvektors bewegt sich auf einer geraden Linie. Die Schwingungsrichtung bleibt fest.
Elliptische Polarisation
Die Spitze des E-Feldvektors beschreibt eine Ellipse. Sie entsteht durch die Überlagerung zweier senkrechter Feldkomponenten mit geeigneten Amplituden und einer Phasendifferenz.
Zirkulare Polarisation
Die Spitze des E-Feldvektors beschreibt einen Kreis. Zirkulare Polarisation ist ein Spezialfall der elliptischen Polarisation: Die senkrechten Komponenten sind gleich groß und haben die Phasendifferenz $\Delta\varphi=\frac{\pi}{2}$.
Ein $\lambda/4$-Plättchen kann zwischen zwei senkrechten Feldkomponenten eine Phasenverschiebung von einem Viertel der Wellenlänge erzeugen. Trifft linear polarisiertes Licht unter passenden Bedingungen auf das Plättchen, kann daraus zirkular oder elliptisch polarisiertes Licht entstehen.
Wie entsteht Polarisation durch Reflexion?
Auch Reflexion an einer Grenzfläche, etwa zwischen Luft und Glas, kann Licht polarisieren. Entscheidend ist die Einfallsebene: Sie wird vom einfallenden Strahl und dem Lot auf die Oberfläche aufgespannt.
Beim Brewsterwinkel wird die zur Einfallsebene parallele Feldkomponente nicht reflektiert. Das reflektierte Licht ist deshalb vollständig senkrecht zur Einfallsebene linear polarisiert. Reflektierter und gebrochener Strahl stehen dann senkrecht aufeinander.
Für den Übergang von Luft mit $n\approx1$ zu einem Material mit der Brechzahl $n_M$ gilt:
$$\tan(\alpha_{\mathrm{Br}})=n_M$$
Polarisierte Sonnenbrillen nutzen diesen Zusammenhang praktisch: Ihr Filter kann einen großen Teil des polarisierten Reflexionslichts von Wasser-, Glas- oder anderen Oberflächen unterdrücken und so Blendung vermindern.
Ein weiterer Effekt ist die optische Aktivität. Zuckerlösungen und andere optisch aktive Stoffe drehen die Ebene linear polarisierten Lichts. Für eine Lösung gilt:
$$\alpha=[\alpha]\cdot c\cdot d$$
Der Drehwinkel $\alpha$ hängt von der spezifischen Drehung $[\alpha]$, der Konzentration $c$, der durchstrahlten Schichtdicke $d$ und außerdem von der verwendeten Wellenlänge ab. In einem Polarimeter kann deshalb bei bekannten übrigen Größen die Konzentration bestimmt werden.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Polarisation von Licht
- Grundlage: elektromagnetische Transversalwelle
- Beschreibung: Richtung und Bewegung des E-Feldes
- Zustände: unpolarisiert, linear, elliptisch, zirkular
- Auswahl: Polarisationsfilter mit Durchlassachse
- Nachweis: drehbarer Analysator und Helligkeitsänderung
- Berechnung: Malus-Gesetz
- Entstehung: Filter, Reflexion, Streuung und Doppelbrechung
- Anwendungen: Sonnenbrille, Fotografie und Polarimetrie
Abschluss-Check
Du beherrschst den Kern, wenn du die Feldrichtung erklären, Filterstellungen deuten und das Malus-Gesetz mit der richtigen Ausgangsintensität anwenden kannst.