Polarisiertes Licht

Materialprüfung

Polaristationsfilter zeigen Spannungen in Materialen, die bei der Herstellung entstanden sind.

© Muellerworld

Im 18. bis hinein ins 19. Jahrhundert war bis zur Entdeckung der Polarisation von Licht nicht klar, ob Licht wie Schall longitudinal schwingt. Als erster erkannte der Naturforscher Christian Huygens die Polarisation des Lichts und lieferte 1678 die Erklärung für die Doppelbrechung des Kalkspats. 2 «Da es zwei verschiedene Arten von Brechung gibt, schloss ich, das es auch zwei verschiedene Lichtwellenarten gibt...». Seit den Experimenten von Augustin Fresnel weiß man, dass Licht in zueinander senkrecht polarisierte Komponenten zerlegbar ist, was bei Longitudinalwellen nicht möglich wäre. 3

Erste Anwendung

Erste Anwendung folgte von dem französischen Physiker, Mathematiker und Astronom Jean-Baptiste Biot (1774-1862). Er erfand das Polarimeter und entdeckte die Drehung der Polarisationsebene in Flüssigkeiten und Dämpfen. In seinen Versuchen wurde Biot, darauf aufmerksam, dass sich die Schwingungsebene des polarisierten Lichtes dreht, wenn es Lösungen bestimmter organischer Substanzen durchdringt. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse gelang es ihm sogar, die Art und Menge von Zuckern in Lösungen zu bestimmen. Er maß einfach den Winkel, um den die Ebene des polarisierten Lichtes verdreht wurde und verglich ihn mit Zuckerlösungen verschiedener Konzentrationen. Dieses Prinzip wird noch heute in der Lebensmittelindustrie angewandt. 1

Polarisationsfilter

Eine EM Welle hat einen elektrischen und magnetischen Anteil, welche senkrecht zueinander stehen.

© Callisto

Transversalwelle

Licht kann als elektromagnetische Welle betrachtet werden. Dabei schwingt sowohl ein elektrisches als auch ein magnetisches Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. 4 Beugung und Interferenz lassen auf den Wellencharakter des Lichtes schließen. Aus der Beobachtung der Polarisation von Licht kann man entnehmen, dass es sich um eine Transversalwelle handelt. Eine elektromagnetische Welle hat einen elektrischen und einen magnetischen Anteil. Die schwingenden Größen sind die elektrische Feldstärke E und die magnetische Feldstärke H; beide Vektoren stehen senkrecht zueinander und schwingen senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung S der Welle. Als 5 Schwingungsebene einer elektromagnetischen Welle definiert man die Schwingungsebene von E. Die Schwingungsebene der magnetischen Feldstärke wird als Polarisationsebene bezeichnet.

Natürliches Licht

Natürliches Licht -Temperaturstrahler, Sonne – ist in der Regel nicht polarisiert. Solches Licht entsteht durch atomare Strahlungsübergänge einer sehr großen Anzahl von Atomen. Jedes dieser Atome strahlt eine Lichtwelle ab, deren Polarisationsrichtung völlig statistisch im Raum verteilt ist, so dass sich die Schwingungsebene des ausgesendeten Lichts fortlaufend ändert und daher keine ausgezeichnete Richtung besitzt. Man spricht von unpolarisiertem Licht. 6

Eine Folie wird langgestreckt und die Moleküle dadurch langgezogen. So wird eine Art Gitter erzeugt, durch das nur Wellen einer bestimmten Richtung gelangen können. Nur exakt senkrecht zur Polarisationsrichtung einfallende Wellen werden komplett ausgelöscht. Schräg einfallende Richtungen werden durch den Filter in zwei Richtungen aufgespaltet und anteilig durchgelassen. Auch normales Fensterglas reflektiert die nterschiedlichen Polarisierungsrichtungen unterschiedlich gut.

Liquid Crystal Display

Liquid Crystals ändern ihre Ausrichtung in Abhängikeit der angelegten Spannung.

© EMC

Liquid Crystal Display - LCD

Eines der bekanntesten Anwendungsgebiete von polarisiertem Licht ist die LCD-Technologie. Dabei wird das Hindergrundlicht zuerst durch einen z.B. horizontal ausgerichteten Polarisationsfilter geschickt. Anschließend muss es einen zweiten, aber variablen Polarisationsfilter passieren, der durch Anlegen einer externen Spannung die Polarisationsrichtung ändern kann. Auf diese Weise kann man nun jeden einzelnen Bildpunkt ansteuern und bestimmen, welche Lichtmenge durchgelassen wird.

3D-Displays

Auf dem 3GSM World Congress in Cannes wurde von TTPCom und Ocuity eine neue Displaytechnologie vorgestellt, die mit Hilfe von Microlinsen die Polarisation ändert, um dadurch dreidimensionale Displays auf Mobiltelefonen zu realisieren. Der 3D-Effekt funktioniert ohne Brillen oder ähnliche Zusatzhardware und soll vornehmlich für Spiele genutzt werden. Anwendungen wie Bildbotschaften und Werbung sind möglich. 8 Auch andere Arten von stereskopischen Displays, wie etwa Polarisationsbrille (IMAX-Kino), Shutterbrille kommen zum Einsatz. 9

Materialprüfung

Alltagsgegenstände, die gewöhnlich klar erscheinen, können bei genauerer Betrachtung sehr ungleichmäßig sein. Ein Lineal oder eine CD-Hülle etwa zeigen unter Polarisationsfiltern die Spannungen, die schon durch den Herstellungsprozess in ihnen enthalten sind. Befindet sich solch ein doppelbrechendes Material zwischen zwei gekreuzten Polarisationsfiltern, dann zeigen sich bei Bestrahlung mit weißem Licht charakteristische schillernde Farben. Der Grund für das Farbenspiel. Das doppelbrechende Material dreht die Polarisationsrichtung für die Wellenlängen im weißen Licht unterschiedlich. 10

Polarisation durch Reflexion

Polarisation durch Reflexion

Das reflektierte Licht an transparenten nichtmetallischen Medien ist teilweise polarisiert.

© ChemgaPedia

Trifft Licht auf ein transparentes, nichtmetallisches Medium, z.B. eine Glasplatte, so wird es zum einen reflektiert und zum anderen im Medium gebrochen. Das reflektierte Licht hat die Eigenschaft, dass es teilweise polarisiert ist, wobei der Polarisationsgrad vom Einfallswinkel und vom Brechungsindex abhängt. Bei einem bestimmten Einfallswinkel α, bei dem das gebrochene und das reflektierte Lichtbündel einen Winkel von 90◦ einnehmen, ist das reflektierte Lichtbündel vollständig linear polarisiert. Der E-Vektor des reflektierten Lichtes schwingt in diesem Fall senkrecht zur Einfallsebene, die durch das einfallende und reflektierte Lichtbündel aufgespannt wird. Diese Eigenschaft wird nach dem Entdecker David Brewster auch als Brewster’sches Gesetz bezeichnet. Der Einfallswinkel α, bei dem das reflektierte Lichtbündel vollständig linear polarisiert ist, heißt Brewsterwinkel αb. Der Brewsterwinkel hängt nur vom Brechungsindex ab und lässt sich leicht aus dem Snellius’schen Brechungsgesetz ableiten. 6