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Die Polarisation einer Transversalwelle beschreibt die Richtung ihrer Schwingung. Ändert sich diese Richtung schnell und ungeordnet, spricht man von einer unpolarisierten Welle. Der Polarisationsgrad gibt den geordneten Anteil an. Bei in Ausbreitungsrichtung schwingenden Wellen, sogenannten Longitudinalwellen, gibt es keine Polarisation.
Bei Funkantennen bestimmt deren Geometrie, mit welcher Polarisation Wellen ausgesendet oder bevorzugt empfangen, d.h. absorbiert werden. Entsprechendes gilt auch für orientierte Moleküle. Letzteres nutzen Polarisationsfilter, um unpolarisiertes Licht zu polarisieren bzw. polarisiertes Licht abhängig von der Polarisationsrichtung zu unterdrücken. Substanzen, welche die Polarisationsrichtung von durchtretendem Licht drehen, heißen optisch aktiv. Nicht-kubische Kristalle zeigen Doppelbrechung und können, je nach Orientierung, Licht polarisationsabhängig ablenken oder reflektieren bzw. dessen Polarisationsart ändern.
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Elektromagnetische Strahlung (Licht, Radiowellen usw.) kann als elektromagnetische Transversalwelle betrachtet werden. Diese Transversalwelle ist durch zwei Richtungen charakterisiert: Den Wellenvektor 
, der in Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Feldvektor des elektrischen Feldes 
, der unter den angegebenen Voraussetzungen immer senkrecht auf dem Wellenvektor steht. Da der Feldvektor des elektrischen Feldes immer senkrecht zum Feldvektor des magnetischen Feldes 
steht, kann auch als zweiter Vektor für die Definition der Transversalwelle genutzt werden. Das lässt jedoch im dreidimensionalen Raum noch einen Rotationsfreiheitsgrad offen, nämlich die Rotation um den Wellenvektor (mit der Zeit).
Man unterscheidet drei Arten von Polarisation, die man durch Richtung und Betrag des Feldvektors in einem festen Raumpunkt beschreiben kann:
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Der Hintergrund dieser Tatsache ist, dass die Polarisation einer beliebigen Transversalwelle mit drei Größen vollständig beschrieben ist. Dies sind die Projektion des Feldvektors auf zwei orthogonale Achsen senkrecht zum Wellenvektor und der Phasenunterschied zwischen diesen beiden Projektionen, dessen Vorzeichen über rechts- oder linkszirkulare Polarisation entscheidet.
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Jede beliebige Polarisation kann als Überlagerung zweier Basispolarisationen dargestellt werden. Daher können die lineare und die zirkulare Polarisation als Grenzfälle der elliptischen Polarisation aufgefasst werden, umgekehrt lässt sich aber auch jede elliptische Polarisation als eine Überlagerung einer linear- und einer zirkularpolarisierten Welle beschreiben.
Für die mathematische Beschreibung von Polarisationen, beispielsweise bei der Beschreibung der Reflexion an eine Grenzfläche, werden häufig die folgenden beiden Varianten verwendet:
Der Polarisationszustand kann durch die vierdimensionalen reellwertigen Stokes-Vektoren oder durch die zweidimensionalen komplexwertigen Jones-Vektoren beschrieben werden. Quasimonochromatisches Licht kann alternativ auch durch die Kohärenzmatrix beschrieben werden. Die Beschreibung der Wirkung eines polarisationsverändernden optischen Elementes erfolgt dann durch Multiplikation mit einer entsprechenden Müller-Matrix beziehungsweise einer Jones-Matrix.
Elektromagnetische Wellen, also auch Lichtwellen, sind – wie erwähnt – unter den angegebenen Voraussetzungen Transversalwellen. Zur Beschreibung ihrer Polarisation bezieht man sich üblicherweise auf das elektrische Feld und lässt das magnetische, das senkrecht auf dem elektrischen steht, außer Acht. In zirkularpolarisiertem Licht zeigen die Spins aller Photonen in dieselbe Richtung. Dennoch kann auch ein einzelnes Photon linearpolarisiert werden, indem zwei entgegengesetzt zirkularpolarisierte Zustände überlagert werden.
Unpolarisiertes Licht kann nur durch Überlagerung inkohärenter Wellen erzeugt werden.
Licht, das durch thermische Lichtquellen erzeugt wird, z. B. Licht von der Sonne oder aus Glühlampen, ist unpolarisiert, d. h. es besteht aus einer inkohärenten Überlagerung vieler Einzelwellen, deren Polarisationszustände statistisch verteilt sind.
Das Licht eines Lasers ist in der Regel polarisiert. Die Polarisation kann jedoch instabil sein, so dass ein (Teil-) Polarisator (beispielsweise ein Brewster-Fenster beim Helium-Neon-Laser) innerhalb des Resonators nötig ist um eine stabile und wohldefinierte Polarisationsrichtung sicherzustellen.
Obwohl die Sonne unpolarisiertes Licht liefert, ist auch in der Natur teilpolarisiertes Licht zu beobachten. So ist beispielsweise das Streulicht des blauen Himmels linear teilpolarisiert. Verantwortlich hierfür ist die so genannte Rayleigh-Streuung, die auftritt, wenn Lichtwellen auf Teilchen treffen, die wesentlich kleiner sind als die Wellenlänge. Die Teilchen werden dann als Hertz'sche Dipole zum Schwingen angeregt.
Das an einer Wasseroberfläche reflektierte Licht ist ebenfalls teilweise polarisiert. Viele Insekten nutzen diesen Effekt, um sich zu orientieren. Für die Honigbiene wurde dies durch Karl von Frisch erforscht.
Auch durch Reflexion an festen Materialien, z. B. an einer Glasscheibe, wird Licht teilweise polarisiert. Dabei wird der in der Reflexionsebene polarisierte Anteil des Lichtes zum größeren Teil absorbiert. Der senkrecht zu dieser Ebene polarisierte Anteil wird transmittiert. Wird Licht im so genannten Brewster-Winkel reflektiert, ist sogar vollständige Polarisation möglich. Polarisationsbrillen schirmen dieses polarisierte Licht ab, was u.a. beim Segeln wertvoll sein kann. Sofern sie nicht zusätzlich abgedunkelt sind, schützen sie aber nicht vor Sonnenstrahlen und deren UV-Anteil.
Entgegen der oft gehörten Meinung, der Mensch könne die Polarisationsrichtung des Lichts nicht erkennen, ist er dazu sehr wohl in der Lage (siehe Haidinger-Büschel). Ebenso sind einige Tierarten wie Bienen oder Fangschreckenkrebse dazu in der Lage[1] [2].
Zufällig polarisiertes Licht kann durch folgende Methoden polarisiert beziehungsweise separiert werden:
Siehe dazu Polarisator.
Mit einem Linearpolarisator, z. B. einer Polarisationsfolie, kann man aus statistisch polarisierten Lichtwellenzügen solche auswählen, die nur in einer bestimmten Schwingungsebene schwingen, wodurch man (linear) polarisiertes Licht erhält. Man verwendet dazu Plastikfolien aus langgestreckten Molekülen, die durch Spannen parallel gerichtet werden.
Stehen bei zwei hintereinander geschalteten, so geformten Plastikfolien die Molekülachsen parallel, so kann das polarisierte Licht durch die zweite Folie durchdringen. Stehen sie aber normal (senkrecht) aufeinander, so wird das von der ersten Folie kommende polarisierte Licht durch die zweite Folie ausgelöscht.
Fällt ein Lichtwellenzug, der schräg zur Durchlassrichtung des Polarisationsfilters schwingt, auf diesen auf, dann geht nur diejenige Komponente durch, die parallel zur Durchlassrichtung schwingt. Die senkrecht zur Durchlassrichtung schwingende Komponente wird absorbiert.
Polarisationsfilter stellt man großteils aus Polyvinylalkoholen oder Zellulosehydraten her. Früher (Mitte des 20. Jhd.) wurde kristallines Herapathit oder Turmalin verwendet.
Viele Laser erzeugen aufgrund der Bevorzugung einer Polarisationsrichtung durch ihre Resonatorgestalt polarisiertes Licht.
Vereinigt man zwei Lichtstrahlen gleicher Wellenlänge und Helligkeit, die rechtwinklig zu einander linear polarisiert sind, zu einem Strahl, jedoch phasenverschoben, so überlagern sich die Feldstärken der beiden Teilstrahlen nach dem Superpositionsprinzip, und die Polarisationsrichtung des neuen Strahls verläuft wegen der Phasenverschiebung an jedem Punkt seines Weges in kreisförmiger Drehung zeitgleich zu seiner Periode: dies nennt man zirkular polarisiertes Licht (bzw. wenn die beiden Feldstärken der Teilstrahlen nicht gleich stark sind, elliptisch polarisiertes Licht). Monochromatisches linearpolarisiertes Licht kann z. B. in einem λ/4-Plättchen (→Phasenschieber) in zirkularpolarisiertes Licht umgewandelt werden. Damit kann man zum Beispiel einen linear polarisierten Laserstrahl fast ohne Verluste in einen zirkular polarisierten umwandeln, um mit ihm zum Beispiel besser schneiden zu können.
Viele dieser Elemente lassen zirkular polarisiertes Licht je nach Drehrichtung nur in einer Richtung passieren (siehe Optischer Isolator).
Zirkularpolarisationsfilter vermögen mittels spezieller Plastikfolien (von Polaroid oder 3M) aus zufällig polarisiertem Licht zirkular polarisiertes zu erzeugen. Sie werden zur Kontrastverstärkung vor Displays eingesetzt und lassen am Display-Glas nahezu senkrecht reflektiertes Fremdlicht nicht ein zweites Mal passieren, da es dann eine Zirkularpolarisations-Drehrichtung aufweist, für die der Filter intransparent ist.
Nachrichten- und Fernsehsatelliten nutzen entweder zwei verschiedene lineare Polarisationsebenen (horizontal/vertikal) oder zwei zirkulare Polarisationsrichtungen (links- oder rechtsdrehend), um die knappen, für den Satellitenfunk zur Verfügung stehenden Frequenzbänder besser ausnutzen zu können.
Zirkular polarisierte Funkwellen können zum Beispiel mit Wendelantennen drehrichtungssensitiv empfangen werden.
Linear polarisierte Funkwellen entstehen durch die Orientierung des strahlenden Elementes (Sendedipol, Schlitz, Hohlleiterende, Drahtspule usw.), das entweder längs der magnetischen (z. B. Zylinderspule, Schlitz) oder der elektrischen Wellenkomponente (z.B. Dipol-, Stab- oder Drahtantenne) ausgerichtet ist. Zum Empfang der linear polarisierten Signale muss sich das Empfangselement in der richtigen Orientierung befinden.
Fernsehsatelliten-Empfangsgeräte können elektrisch zwischen zwei Polarisationsrichtungen umschalten.
Radiowellen niederer Frequenzen werden fast immer polarisiert abgestrahlt. Die Art der Polarisierung hängt von der Ausrichtung der Antenne ab. Sender im UHF/VHF-Bereich arbeiten – von Mobilfunksendern abgesehen – im Regelfall mit horizontaler Polarisation, da hierbei weniger Störungen auftreten. Im Kurzwellenbereich sind sowohl horizontale wie auch vertikale Polarisation üblich. Sender im Längst-, Lang- und Mittelwellenbereich arbeiten fast durchweg mit vertikaler Polarisation, da diese eine bessere Ausbreitung der Bodenwelle ermöglicht.
Zirkularpolarisation wird für Rundfunkzwecke nur selten angewandt. Sie wird für Steilstrahlantennen im Mittelwellenbereich manchmal verwendet.
Licht kann mit den gleichen Polarisatoren analysiert werden, mit denen sich polarisiertes Licht herstellen lässt. Man nennt die Polarisatoren ihrer Funktion entsprechend dann Analysatoren. Ein Linear-Polarisator-Analysator-Paar, dessen Polarisationsebenen senkrecht aufeinander stehen, lässt kein Licht hindurch. Gewisse Substanzen können aber die Polarisationsebene drehen (→optische Aktivität). Wenn man diese Substanzen zwischen Polarisator und Analysator stellt, kann man deshalb ihre optische Aktivität messen. Einen solchen Aufbau nennt man Polarimeter.
In der Fotografie dienen auf das Objektiv aufgesetzte Polarisationsfilter dazu, die Effekte des polarisierten Lichts zu unterdrücken oder auch gezielt zu betonen. Den gleichen Effekt, also das „Ausblenden“ von Lichtanteilen einer bestimmten Polarisation, benutzen auch Angler, um besser durch die Reflexionen auf der Wasseroberfläche hindurch zu sehen. Solche Brillen werden als Polbrillen oder Anglerbrillen bezeichnet und auch für Autofahrer angeboten.
Ein Polarisationsmikroskop ist ein Lichtmikroskop, das mit polarisiertem Licht arbeitet. Es wird vor allem zur Untersuchung der Textur von Flüssigkristallen sowie in der Mineralogie zur Untersuchung von Kristallen und Dünnschliffen von Gesteinen eingesetzt. Die Änderung der Polarisation von Licht bei der Reflexion bzw. Transmission an Grenzflächen (vgl. Fresnel-Gleichungen) wird in der Analytik zur Bestimmung von Schichtdicken und Materialeigenschaften genutzt, siehe Ellipsometrie.
Eines der Hauptanwendungsgebiete von polarisiertem Licht ist die LCD-Technologie. Sie beruht auf den besonderen Eigenschaften von Flüssigkristallen. Diese polarisieren das Licht; die Polarisationsrichtung kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung stufenlos von vertikal bis horizontal eingestellt werden.
Eine andere Anwendung der Flüssigkristalltechnik ist die stereoskopische Vorführung von 3D-Fotos oder 3D-Filmen mittels einer Raumbildprojektion, die sich der Polarisationsfilter- oder der Shuttertechnik bedient.
Wiktionary: polarisieren – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen und Grammatikrencontre
