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Polarisiertes Licht

Licht ist eine elektromagnetische Welle. Die Welle besteht darin, dass ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld ein Magnetfeld hervorruft, und aus einem zeitlich veränderlichen Magnetfeld entsteht wiederum ein elektrisches Feld.

Elektrisches und magnetisches Feld sind durch ihren Betrag und ihre Richtung gekennzeichnet, sind also Vektoren. Sie stehen senkrecht zueinander. Im Allgemeinen ist Licht unpolarisiert. Bleibt bei der ständigen Umwandlung entweder die Richtung des elektrischen Vektors (außer dem Vorzeichen) oder der Betrag erhalten, spricht man von polarisiertem Licht.

Betrachten wir zunächst den Fall, dass die Richtung des elektrischen Vektors, abgesehen vom Vorzeichenwechsel, erhalten bleibt. Zusammen mit der Ausbreitung des Lichtes wird eine Ebene aufgespannt, man sagt vereinfachend oft, das Licht schwingt in einer Ebene. Der Physiker spricht von Linearer Polarisation. Dies ist im oberen Teil der Abbildung 1 dargestellt.

Will man die Polarisation aufheben, könnte man versuchen dies zu erreichen, indem man eine zweite Welle überlagert, bei der der elektrische Vektor immer gerade in die entgegengesetzte Richtung zeigt. Das wäre aber destruktive Interferenz und würde die Auslöschung des gesamten Lichtes zur Folge haben. Wählt man die Polarisationsebene der zweiten Welle aber senkrecht zur ersten, behält man das Licht, auch wenn es keine Vorzugsrichtung mehr gibt. Dies ist im mittleren Teil der Abbildung  1 gezeigt. Wegen der Aufhebung der Polarisation spricht man bei senkrecht zueinanderstehenden Polarisationsebenen auch von positiver und negativer Linearpolarisation. Man kann im Sinne der Stokes-Parameter die rote Welle als +Q und die blaue Welle als -Q identifizieren.

Liegt die Polarisationsebene unter 45º, hat man es mit einer von Q unabhängigen Linearpolarisation zu tun. Die grüne Kurve im unteren Teil der Abbildung 1 kann man mit dem Stokes-Parameter -U identifizieren.

Bleibt dagegen der Betrag des elektrischen Vektors erhalten, muss sich seine Richtung ständig ändern. Kreist sie um die Ausbreitungsrichtung des Lichtes, spricht man von zirkular polarisiertem Licht. Dies ist in der  Abbildung 2 dargestellt. Je nach Drehsinn spricht man von links- bzw. rechtszirkular polarisiertem Licht und identifiziert es als Stokes +V bzw. -V.

Zur Messung der Polarisation des Lichtes kann man sich doppelbrechender Kristalle bedienen. Solche Kristalle haben eine Vorzugsebene, in der sich das Licht schneller ausbreitet als in der Ebene senkrecht dazu. Fällt das Licht in einer bestimmten Richtung ein, wird das negativ polarisierte Licht ein wenig abgelenkt, so dass es zur räumlichen Trennung kommt (Polarisierender Strahlenteiler). Den nicht abgelenkten Strahl bezeichnet man als den ordentlichen Strahl, den abgelenkten als den außerordentlichen Strahl. Unter 45º polarisiertes Licht wird ebenso wie unpolarisiertes oder zirkular polarisiertes Licht zu gleichen Teilen aufgeteilt.

Bei anderer Ausrichtung zum einfallenden Licht und geeignet gewählter Dicke kann man doppelbrechende Kristalle auch einsetzen, um einen Stokes-Parameter in einen anderen umzuwandeln. Der Kristall bewirkt dann keine Ablenkung, sondern eine Phasenverzögerung des außerordentlichen Strahls gegenüber dem ordentlichen um einen Bruchteil der Wellenlänge. Beim Austritt aus einer solchen  Phasenplatte werden die beiden Teilstrahlen wieder kombiniert. Beträgt die Verzögerung eine halbe Wellenlänge, wird die Polarisationebene um den doppelten Winkel der Ausrichtung der Phasenplatte gedreht. Bei einem Winkel von 45º geht Q in -Q über. Zirkulare  Polarisation wird durch eine solche Phasenplatte nicht beeinflusst.  Ist hingegen die Verzögerung nur eine viertel Wellenlänge, und die Ausrichtung der Phasenplatte  wiederum 45º, bleibt der Betrag des elektrischen Vektors erhalten, aber er rotiert um die Ausbreitungsachse. Aus linear polarisiertem Licht ist zirkular polarisiertes Licht geworden. Umgekehrt entsteht aus zirkular polarisiertem Licht linear polarisiertes.

Nun können wir ein Polarimeter konstruieren. Es besteht aus zwei Phasenplatten und eienm polarisierenden Strahlenteiler. Durch  sukzessive Drehung der beiden Phasenplatten gegeneinander, kann man nacheinander Q, U und V in Q umwandeln, während die jeweils anderen in unpolarisiertes Licht oder U bzw. V übergehen. Bildet man die Differenz der Teilbilder des nachfolgenden  Strahlenteilers, kann man den gewünschten Stokes-Parameter vom unpolarisiertem Licht trennen. Das Schema eines solchen Polarimeters ist in Abbildung 3 gezeigt.

In modernen Polarimetern werden oft ferro-elektrische Flüssigkristalle anstelle kristalliner Phasenplatten benutzt. Durch ein externes elektrisches Feld kann man bei ihnen die Ausrichtung der schnellen Achse zwischen zwei Möglichkeiten hin und her schalten. Eine Alternative sind variable  Flüssigkristalle, bei denen die Verzögerung von der angelegten elektrischen Spannung abhängt.