Wellenoptik – Polarisation

Die Polarisation von Licht

Als Polarisation von Licht bezeichnet man in der Physik die Richtung der Schwingung des elektrischen Feldes der Lichtwelle. Was das genau bedeutet, wie polarisiertes Licht erzeugt werden kann und wo es Anwendung findet, wollen wir im Folgenden klären. Dazu solltest du schon wissen, dass man Licht als elektromagnetische Welle beschreiben kann und deren Eigenschaften kennen.

Was ist die Polarisation von Licht?

Wir wissen bereits, dass wir Licht als elektromagnetische Transversalwelle beschreiben können. Transversalwelle bedeutet, dass die Schwingung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgt. Im Falle von Licht schwingen elektrische und magnetische Felder senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und senkrecht zueinander.

Die Polarisation bezieht sich in der Regel auf das elektrische Feld des Lichts. Da das magnetische Feld immer senkrecht auf dem elektrischen steht, reicht das Wissen über das elektrische aus, um die Polarisationseigenschaften von Licht vollständig zu beschreiben. Das elektrische Feld wird durch den elektrischen Feldvektor $\vec{E}$ beschrieben.

Als Schwingungsrichtung oder auch Schwingungsebene bezeichnet man die Ebene, in der der elektrische Feldvektor schwingt. In der Beispielillustration breitet sich die Welle in $x$-Richtung aus. Das elektrische Feld schwingt in der $y$-Ebene, also in Richtung der $y$-Achse.

Mit der Polarisation beschreibt man die Ausrichtung dieser Schwingungsebene, da diese gerade durch die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes gegeben ist. Je nach Eigenschaften des Lichts werden verschiedene Polarisationszustände unterschieden: unpolarisiertes Licht, linear polarisiertes Licht und zirkular polarisiertes Licht.

Was ist unpolarisiertes Licht?

Licht, das von thermischen Quellen wie zum Beispiel einer Kerze oder einer Glühlampe emittiert wird, ist unpolarisiert. Das bedeutet, dass sich das Licht aus Einzelwellen zusammensetzt, die voneinander unabhängige Schwingungsrichtungen aufweisen. Diese Richtungen sind zufällig verteilt und überlagern sich. In unpolarisiertem Licht kommt in der Regel also jede beliebige Schwingungsrichtung vor.

Was ist linear polarisiertes Licht?

In linear polarisiertem Licht schwingen alle Einzelwellen in dieselbe Richtung. Die Schwingungsebene kann dabei horizontal, vertikal oder in jedem beliebigen Winkel verlaufen, wobei die Schwingung nach wie vor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung erfolgt.

Was ist zirkular polarisiertes Licht?

Wenn linear polarisierte Wellen unter bestimmten Bedingungen überlagert werden oder besondere Bauteile durchqueren, ergibt sich zirkular polarisiertes Licht. In diesem besonderen Fall dreht sich die Schwingungsebene periodisch im Kreis. In der Natur kommt diese Form der Polarisation allerdings nur sehr selten vor.

Wie kann Licht polarisiert werden?

Eine Möglichkeit, unpolarisiertes Licht zu polarisieren, ist die Verwendung von Polarisationsfiltern. Solche Polfilter bestehen aus speziellen Folien, die auf bestimmte Weise gestreckt werden. Auf diese Weise richten sich innerhalb der Folie Molekülketten parallel zueinander aus.

Wenn nun Licht, also ein elektrisches Feld, auf die Folie trifft, kann es abhängig von seiner Schwingungsrichtung gut oder schlecht absorbiert werden:

Schwingt das elektrische Feld in Richtung der Molekülketten, kann es Elektronen innerhalb der Ketten zum Schwingen anregen und wird daher absorbiert. Es wird also durch den Filter blockiert. Schwingt das Feld hingegen senkrecht zu den Molekülketten, kann es keine Schwingungen anregen und wird dementsprechend vollständig durchgelassen. Für alle anderen Winkel zwischen $0^\circ$ und $90^\circ$ wird das Licht geschwächt und nur der zu den Molekülketten senkrechte Anteil wird vom Filter durchgelassen.

Auf diese Weise ist das Licht hinter dem Polarisationsfilter senkrecht zu der Ausrichtung der Molekülketten polarisiert. So kann man einerseits aus unpolarisiertem Licht linear polarisiertes Licht erzeugen, oder aber auch bereits polarisiertes Licht blockieren.

Neben Experimenten in der Wissenschaft kommen solche Polarisationsfilter auch in der Fotografie zum Einsatz. Warum das so ist, sehen wir im nächsten Abschnitt.

Ist Sonnenlicht polarisiert?

Das Licht, das von der Sonne ausgeht, ist zunächst unpolarisiert. Allerdings kann Licht nicht nur durch Polarisationsfilter polarisiert werden, sondern auch bei Reflexion, Streuung und Brechung. Bei diesen Vorgängen wird das Licht in der Regel zwar nicht vollständig polarisiert, aber je nach Bedingungen zu einem großen Anteil. Das passiert beispielsweise bei der Streuung des Sonnenlichts in der Atmosphäre. So ist das Licht am Himmel abhängig von der relativen Position der Sonne unterschiedlich polarisiert. Das nutzen einige Insekten aus: Bienen können beispielsweise die Polarisation von Licht wahrnehmen. So können sie genau feststellen, in welcher Himmelsrichtung sich die Sonne befindet, ohne die Sonne selbst zu sehen.

Aber auch bei der Reflexion an Wasser, metallischen Oberflächen oder Glas wird Licht teilweise polarisiert. Deswegen gibt es spezielle Polarisationsfilter für Kameras. Je nachdem, in welchem Winkel man sie einstellt, kann man Reflexionen herausfiltern oder besonders hervorstechen lassen.

Polarisation – Zusammenfassung

Hier findest du die wichtigsten Stichpunkte zum Thema Polarisation von Licht:

• Als Polarisation von Licht bezeichnet man die Richtung der Schwingung des elektrischen Feldes.
• Es gibt unpolarisiertes Licht, linear polarisiertes Licht und zirkular polarisiertes Licht.
• Bei unpolarisiertem Licht schwingt das elektrische Feld zufällig in allen möglichen Raumrichtungen.
• Bei linear polarisiertem Licht schwingt das elektrische Feld in einer Vorzugsebene.
• Bei zirkular polarisiertem Licht beschreibt der elektrische Feldvektor einen Kreis.
• Polarisiertes Licht kann zum Beispiel durch die Verwendung von Polarisationsfiltern oder Reflexion und Brechung erzeugt werden.
• Anwendungsbeispiele für Polarisationsfilter sind Experimente in der Wissenschaft oder die Fotografie.

Auch zu diesem Video gibt es interaktive Übungen und ein Arbeitsblatt – du kannst dein neu gewonnenes Wissen zum Thema Polarisation also direkt testen!