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Einführung in die polarimetrische Magnetfeldmessung

Die meisten Spektrallinien spalten in mehrere Komponenten auf, wenn sie im Magnetfeld gebildet werden. Dies wurde vom niederländischen Physiker P. Zeeman entdeckt und nach ihm Zeeman-Effekt genannt. Für die Messung des Magnetfeldes sind diejenigen Linien besonders geeignet, die in eine unverschobene und zwei symmetrisch dazu verschobene Komponenten zerfallen – man spricht dann von einem Zeeman-Triplett. Ein Beispiel wird in Abbildung 1 gezeigt.

Aus dem Abstand der verschobenen Komponenten zur Ausgangswellenlänge lässt sich die Stärke des Magnetfeldes  bestimmen. Die Aufspaltung wird mit der folgenden Gleichung berechnet: Δλ [pm] = (geff ⁄ 854.7) (λ [nm] ⁄ 500)2 H [G], wobei λ die Wellenlänge, H die magnetische Feldstärke gemessen in Gauß und geff ein von der Spektrallinie abhängier Aufspaltungsfaktor (Landé-Faktor) sind. Vorraussetzung ist dabei, dass das Magnetfeld so groß ist, dass die Komponenten klar getrennt sind. Die Aufspaltung wird mit zunehmender Wellenlänge größer, deshalb verwendet man gerne Linien aus dem infraroten Spektralbereich.

Ein weiterer Vorteil für den Beobachter ist die Tatsache, dass das Licht der einzelnen Zeeman-Komponenten unterschiedlich polarisiert ist  Wie die Polarisierung ausfällt, hängt von der Richtung des Magnetfeldes ab. Blickt man parallel zum Magnetfeld, sind die beiden aufgespaltenen Komponenten zirkular polarisiert, wobei der Drehsinn entgegengesetzt ist. Gleichzeitig wird die zentrale Komponente unsichtbar. Blickt man senkrecht zum Magnetfeld, sind alle drei Komponenten linear polarisiert, wobei die Polarisationsebene der Zentralkomponente senkrecht zu denen der aufgespaltenen Komponenten steht. In der Regel wird man aber schräg zum Magnetfeld schauen und eine Mischung von zirkularer und linearer Polarisation vorfinden. Hat man das Verhältnis von linearer und zirkularer Polarisation, die Ausrichtung der Polarisationsebenen und den Drehsinn der Zirkularpolarisation bestimmt, kann man die Ausrichtung des Magnetfeldes berechnen. Es verbleibt lediglich eine Doppeldeutigkeit, weil die Lage einer um 180º gedrehten Ebene nicht von der Ausgangslage zu unterscheiden ist.

Beschrieben wird die Polarisation durch die Stokes-Parameter I, Q, U und V (benannt nach dem britischen Physiker G. Stokes). I ist der unpolarisierte Anteil des Lichts, Q und U sind zwei unabhängige Parameter für das linear polarisierte Licht, und V ist der Anteil des zirkular polarisierten Lichtes (siehe  polarisiertes Licht). Die Stokes-Parameter sind in Abbildung 2 dargestellt.

Leider hängt die Größe der Stokesparameter nicht nur vom Magnetfeld, sondern auch von der Stärke der Linie und damit von den thermodynamischen Größen ab, so dass sich das Problem nicht analytisch lösen lässt. Man muss vielmehr iterativ vorgehen mittels sogenannter Inversionsverfahren.