Ist Licht polarisierbar?

Polarisation ist eine weiteres Phänomen von Wellen, welches es auch bei Licht geben müsste.

Wir wissen bereits, dass es sich bei Licht um elektromagnetische Wellen handelt.

Elektromagnetische Wellen sind Transversalwellen. Das bedeutet, die magnetischen und elektrischen Felder stehen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.

Demzufolge müsste es sich auch bei Licht um Transversalwellen handeln.

Polarisation von Mikrowellen

Mikrowellen lassen sich polarisieren, indem man ein Gitter aus parallelen elektrisch leitenden Stäben (z.B. Metall) zwischen Quelle und Empfänger stellt. Die Mikrowellen sind nach dem Durchdringen der Metallstäbe linear polarisiert - es kommt nur diejenige Schwingungsrichtung hindurch, die der Richtung der Stäbe entspricht.

Durch ein weiteres Gitter, dessen Metallstäbe senkrecht zu denen des ersten Gitters stehen, wird beim Empfänger kein Signal mehr registriert. Mit zwei senkrecht zueinander stehenden Metallgittern lassen sich Mikrowellen vollständig abschirmen. Aus diesem Grund reicht es aus, die Tür von Mikrowellenherden mit einem entsprechenden Metallgitter auszustatten.

Polarisation von Licht mit Polarisationsfiltern

Sendet man Licht durch zwei spezielle Kunststofffolien, sogenannte Polarisationsfolien, dann zeigt sich:

Sind die Polarisationsrichtungen der beiden Folien senkrecht zueinander angeordnet, so kommt kein Licht hindurch.

Info: Bei Polarisationsfolien sind Kohlenstoffketten wie Gitterstäbe parallel zueinander angeordnet. Genauso wirken auch Polarisationsfilter, die in der Fotografie verwendet werden, oder Metalldrähte bei Hertzschen Wellen.

Die Antwort auf die Eingangsfrage lautet also:

Licht ist polarisierbar, verhält sich also wie eine Transversalwelle.

Info:

Michael Faraday (1791-1867) schickte 1846 linear polarisiertes Licht durch einen Glasstab, den ein ausschaltbares Magnetfeld durchsetzte.

Er stellte fest, dass bei eingeschaltetem Magnetfeld die Polarisationsrichtung des Lichts gedreht wurde und schloss daraus, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Weitere Experimente stützten diese Auffassung.

Polarisation durch Reflexion

Fotografiert man glatte Flächen (z.B. Glasflächen oder einen See mit spiegelglatter Oberfläche), so treten meist starke Spiegelungen auf.

Durch Verwendung eines Polarisationsfilters werden diese oft störenden Reflexionen weitgehende unterdrückt.

Die Erklärung dafür lautet:

Reflektiertes Licht ist offensichtlich teilweise polarisiert.

Betrachtet man eine Glasscheibe durch einen Polarisationsfilter, so stellt man fest, dass bei einem bestimmten Betrachtungswinkel die Reflexionen vollständig verschwinden. Die Polarisation hängt offenbar mit dem Reflexionswinkel zusammen.

Der genaue Zusammenhang wird mit dem Brewsterschen Gesetz erfasst:

Gesetz von Brewster

Stehen reflektierter und gebrochener Strahl an der Grenzfläche zwischen zwei durchsichtigen Stoffen senkrecht aufeinander, dann ist das reflektierte Licht vollständig linear polarisiert.

Für den Einfallswinkel, bei dem das der Fall ist, gilt:

tan\alpha_{p}=n     bzw.     tan\alpha_{p}=\dfrac {n_{2}}{n_{1}}

Dabei ist n die Brechungszahl des zweiten Stoffs (z.B. Glas), wenn der erste Stoff Luft ist.

(für Luft gilt: n = 1)

Wenn das Licht aus einem anderen Stoff kommt, müssen beide Brechungszahlen berücksichtigt werden.

Dieses Gesetz fand der britische Physiker David Brewster (1781-1868) um 1815.

Der Winkel \alpha_{p} wird auch als Brewsterwinkel bezeichnet.

Dieser Zusammenhang wird in folgender Skizze noch einmal veranschaulicht:

Polarisation durch Reflexion - Brewsterwinkel

Das eintreffende Licht (linke Seite) ist nicht polarisiert, sondern enthält alle möglichen Schwingungsrichtungen.

Das reflektierte Licht ist so polarisiert, dass es senkrecht zur Einfallsebene schwingt.

Das ebenfalls polarisierte gebrochene Licht schwingt dagegen in der Einfallsebene.

Ist die im Gesetz genannte Bedingung der Orthogonalität von reflektiertem und gebrochenem Strahl nicht erfüllt, so tritt teilweise Polarisation auf.

Die Bedingung im Gesetz von Brewster ergibt sich mit Hilfe des Brechungsgesetztes:

Das Brechungsgesetz lautet:     \dfrac {sin\alpha}{sin\beta}=n

Damit ergibt sich:

n=\dfrac {sin\alpha_{p}}{sin\beta}=\dfrac {sin\alpha_{p}}{sin(90^{\circ}-\alpha_{p})}=\dfrac {sin\alpha_{p}}{cos\alpha_{p}}=tan\alpha_{p}

Flüssigkristallanzeige (LCD)

Bei Handys, Tablets, Laptops, Taschenrechnern, Thermometern, digitalen Zeitmessern etc. nutzt man seit langer Zeit Flüssigkristallanzeigen (Liquid Crystal Display, kurz LCD).

Die Funktion von LCDs beruht auf der Polarisation von Licht:

Flüssigkristall befindet sich in sieben getrennt schaltbaren Segmenten zwischen zwei abgeschlossenen Glasplatten, die mit gekreuzter Polarisationsfolie beklebt sind.

Das einfallende Licht wird von einem Spiegel reflektiert. Ohne Spannung wird einfallendes Licht durch den Polarisator linear polarisiert, durch den Flüssigkristall um 90° gedreht, durchläuft dann den Analysator, wird reflektiert und durchläuft die Anordnung in umgekehrter Richtung.

Das Display erscheint hell; das Licht ist linear polarisiert.

Wird an Segmente eine Spannung angelegt, dann dreht der Flüssigkristall die Schwingungsebene nicht mehr. Die entsprechenden Stellen erscheinen dunkel.

Versuch:

Blickt man durch eine Polarisationsfolie auf einen LCD-Bildschirm, so erscheint das Bild je nach Drehrichtung des Polarisationsfilters zum Display heller oder dunkler.

Das Licht, das von einem LCD-Bildschirm abgegeben wird, ist also teilweise linear polarisiert.