Polarisation des Lichts

Licht entsteht durch Quantensprünge der Elektronen in den Atomhüllen. Durch diese Quantensprünge kommt es zu einer Änderung des elektrischen Feldes und somit zur Entstehung elektromagnetischer Wellen. Normales Licht ist immer eine Mischung aus Wellenzügen mit völlig unterschiedlichen Eigenschaften, unter anderem auch der Schwingungsrichtung des elektrischen Feldes (Abb.). Man spricht in diesem Fall von unpolarisiertem Licht.

a und b) Bei unpolarisiertem Licht schwingen die elektrischen Felder in unterschiedlichen Richtungen. Hier sind exemplarisch zwei dargestellt, c) Symbol für unpolarisiertes Licht, d) Schematische Darstellung, wie man mit einem Polfilter polarisiertes Licht erzeugen kann.

Wenn man Licht durch einen Polarisationsfilter (kurz Polfilter) schickt, dann schwingt das elektrische Feld nur mehr in einer Richtung - es wurde polarisiert. Polfilter kann man zum Beispiel aus Kunststofffolien herstellen, die aus langgestreckten Molekülen bestehen. Besonders interessant wird es, wenn man zwei Polfilter verwendet. Je nach Ausrichtung kann man dann das Licht durchlassen oder nicht (folgende Abb.n). Dieses Phänomen, das man schon lange vor Maxwells Entdeckung kannte, ist nur möglich, weil Licht eine Transversalwelle ist.

Modell von Polfiltern in paralleler (a) und gekreuzter Ausrichtung (b). Man kann den Effekt sehr gut mit dem „Gartenzaunmodell“ verstehen.

Foto von Polfiltern in paralleler (links) und gekreuzter Ausrichtung (rechts).

• Polarisation (Uni Heidelberg)

Polarisationsfilter sind durchsichtige Kunststofffolien, die aus langgestreckten Molekülen aufgebaut sind. Diese Moleküle werden bei der Herstellung der Folie durch Strecken („Recken“) parallel gerichtet, sodass in der Folie eine Vorzugsrichtung entsteht.

Um bei Filmen auch einen räumlichen Eindruck zu erzielen, werden die Aufnahmen von zwei Kameras durchgeführt. Für die Wiedergabe werden Polarisationsfolien verwendet.

• 3D-Polarisationssystem

LCD steht für Liquid Crystal Display. Diese Flüssigkristalle sind optisch aktiv, verlieren diese Fähigkeit aber unter elektrischer Spannung. Die folgende Abb. zeigt den Aufbau einer LCD-Zelle. Ohne Spannung wird das Licht am Spiegel reflektiert. Diese Stelle ist hell. Liegt Spannung an, dreht der Kristall die Schwingungsebene nicht, und das Licht wird am unteren Filter geschluckt. Diese Stelle ist dunkel. Eine LCD-Zelle ist ein spannungsgesteuertes Lichtventil.

Auch LCD-Bildschirme, die herkömmliche Fernseher verdrängt haben, funktionieren so. Allerdings haben die Zellen keinen Spiegel, sondern werden von hinten beleuchtet. Außerdem gibt es pro darzustellenden Pixel eine rote, grüne und blaue Zelle.

a und b) „Explosionsdarstellung„ eines LCD-Segments -die Polfilter sind gekreuzt. Die Kristallschicht ist in Wirklichkeit nur einige μm dick, c) Jede Ziffer eines Taschenrechners hat 7 durchsichtige, elektrisch leitende Segmente. Jedes Segment wie das färbig markierte ist im Prinzip so aufgebaut wie links dargestellt.

Unpolarisiertes Licht kann also bei der Reflexion an einer Glasplatte (oder einem anderen durchsichtigen Medium, z. B. an einer Wasserfläche) polarisiert werden. Bei einem Einfallswinkel von 57° bei Glas zeigt der Polarisationsfilter, dass der reflektierte Lichtstrahl linear polarisiert ist und senkrecht zur Reflexionsebene, d. h. parallel zur brechenden Fläche schwingt.

Dieser spezielle Einfallswinkel heißt Polarisationswinkel. Für den Polarisationswinkel $ß$ gilt:

$\frac{\sin α}{\sin β}=n$ oder $\frac{\sin 57°}{\sin β}=1,53 \Rightarrow β=33°$

Einfalls- und Brechungswinkel ergänzen einander zu 90°!

Fällt daher natürliches Licht unter dem Polarisationswinkel auf ein durchsichtiges Medium, so kann man sich jeden linear polarisierten Wellenzug in zwei Komponenten zerlegt denken, die parallel und senkrecht zur Einfallsebene schwingen. Die parallel schwingenden Komponenten werden vollständig gebrochen. Die senkrecht schwingenden Komponenten dagegen werden nur zum Teil gebrochen. Der größte Teil wird reflektiert. (Der gebrochene Strahl muss deshalb bevorzugt in der Einfallsebene schwingen, was auch tatsächlich der Fall ist.) Linear polarisiertes Licht kann man demnach durch Reflexion an durchsichtigen Körpern erhalten.

Bei der Reflexion an Metallspiegeln dagegen tritt keine Trennung der Polarisationsrichtungen auf, sodass man auf diese Weise auch kein linear polarisiertes Licht zu erzeugen vermag.

Ein Teil der Strahlen, welche an Oberflächen (Wasser, Schnee) reflektiert werden, kann die Polarisationsfolien nicht durchdringen. Da die Blendwirkung wegfällt, wird das Sehen wird erleichtert.

Polarisationsfilter - oder kurz Polfilter - erzeugen besonders satte Farben im blauen Himmel und in der grünen Pflanzenwelt. Die Filter mindern Reflektionen auf nichtmetallischen Oberflächen und ermöglichen es, durch spiegelnde Glasscheiben und reflektierende Wasseroberflächen zu „blicken“. Entscheidend ist dabei die optimale Stellung zu Objekt und Lichtquelle. Himmelsblau, Wolkenfelder oder das Blattgrün werden besonders satt und kräftig aufgenommen, wenn die Sonne seitlich im 90-Grad-Winkel zum Motiv steht. Fällt sie rückwärtig oder frontal ein, dann ist der Filter-Effekt deutlich geringer ausgeprägt !

Ihre Wirkung erzielen Polfilter, weil sie nur Licht einer Schwingungsebene durchlassen und alles übrige kreuz und quer schwingende Licht herausfiltern. Dadurch werden auch die Reflexionen auf nichtmetallischen Oberflächen reduziert.

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Das Streulicht des Himmels ist teilweise polarisiert.

In der Atmosphäre wird das unpolarisierte Sonnenlicht gebrochen und reflektiert, es wird dadurch polarisiert. An jedem Punkt des Himmels bleibt eine Vorzugsrichtung der Schwingung übrig. Es entsteht ein Muster, das Polarisationsmuster des Himmels. Sieht man die Schwingrichtung, ist klar: Im rechten Winkel dazu steht die Sonne.

Das menschliche Auge kann dies ohne Hilfsmittel nicht registrieren. Wohl aber gibt es Tiere, welche die Schwingungsrichtung des blauen Himmelslichts erkennen können und zur Orientierung heranziehen. Für die Biene hat dies der österreichische Nobelpreisträger Karl von Frisch zweifelsfrei nachgewiesen. Aber auch Wespen, Hummeln, Ameisen, Fliegen, Wasserläufer, Krabben und Tintenfische können die Schwingungsrichtungen des Lichts wahrnehmen.

Polarisation des Sonnenlichts dient zur Orientierung und wird in spezialisierten Gehirnregionen verarbeitet. Heuschreckenkopf von oben. Die polarisationsempfindlichen dorsalen Randregionen des Auges (sie weisen zur „Stirn“),erscheinen dunkel bis schwarz.

Als doppelbrechend werden Strukturen bezeichnet die in der Lage sind, einfallende Lichtstrahlen in zwei Teilstrahlen oder Wellenzüge aufzuspalten, von denen jeder linear polarisiert ist und deren Schwingungsebenen senkrecht aufeinander stehen. Ein Beispiel für ein solches Material ist Calcit (Kalkspat)

Fällt Licht senkrecht auf ein doppelbrechendes Medium, so verläuft der ordentliche Strahl ungebrochen durch das Medium, der außerordentliche Strahl hingegen wird abgelenkt.

ordentlicher Strahl:

• Er folgt konstant dem Brechungsgesetz und wird entsprechend dem jeweiligen Brechungsindex gebrochen;
• bei senkrechtem Lichteinfall verläuft er ungebrochen.

außerordentlicher Strahl:

• Der Brechungsindex für diesen Strahl ist nicht konstant sondern abhängig vom Einfallswinkel des Lichtes;
• bei senkrechtem Lichteinfall wird dieser Strahl abgelenkt.

Mit der Spannungsdoppelbrechung kann man die Belastungen von Werkstücken visuell darstellen. Dazu stellt man ein Modell des zu untersuchenden Objektes aus einem entsprechenden Material her, z.B. Plexiglas. Bringt man es zwischen zwei senkrecht zueinander orientierte Pol-Filter, wird im unbelasteten Zustand kein Licht durchgelassen, bei Anlegung einer mechanischen Spannung aber doch, wegen der Polarisationswirkung des Modells:

Die Farben kommen dadurch zustande, daß der Polarisationseffekt wellenlängenabhängig ist und man weißes Licht benutzt.

Einige Flüssigkeiten und Lösungen, wie Milchsäure, Weinsäure oder Traubenzuckerlösung sowie einige Kristalle (Quarz) und Flüssigkristalle, zeigen optische Aktivität.

Der Drehwinkel α der Schwingungsebene hängt von der Substanz, von der Schichtdicke und von der Lichtfrequenz ab. Bei Lösungen ist der Drehwinkel zur Konzentration proportional. Durch Messung des Drehwinkels kann man daher die Konzentration einer Lösung bestimmen. Davon wird in der Chemie, in der Biologie und in der Medizin Gebrauch gemacht.

Für diese Eigenschaft kann die Kristallform verantwortlich sein, aber auch - wie bei den genannten Flüssigkeiten - die räumliche Anordnung der Atomgruppen in einem Molekül. Da derartige Strukturen in zwei spiegelbildlichen Formen vorkommen können, kann ein optisch aktiver Stoff in „linksdrehender“ und „rechtsdrehender„ Modifikation auftreten. So gibt es z. B. links- und rechtsdrehenden Quarz oder links- und rechtsdrehende Milchsäure.

Links- und rechtsdrehende Milchsäure

Bei der synthetischen Herstellung einer optisch aktiven Substanz im Laboratorium ist in den meisten Fällen die Wahrscheinlichkeit für die Bildung einer linksdrehenden und einer rechtsdrehenden Form gleich groß. Es entsteht daher ein sogenanntes razemisches Gemisch. Dieses enthält jede der beiden Formen in gleichen Anteilen und ist natürlich optisch inaktiv. In lebenden Organismen dagegen wird der Aufbau der Moleküle durch Enzyme gesteuert. Das bewirkt, dass der Organismus entweder mir die „Rechtsform“ oder nur die „Linksform„ herstellen kann. Umgekehrt zeigt es sich, dass gewisse Organismen nur eine von zwei spiegelbildlichen Molekülformen abbauen und verwerten können.

Ein Polarimeter ist ein Gerät zur Bestimmung der Drehrichtung von optisch aktiven Stoffen. Die Polarimetrie ist eine Methode zur Reinheitsprüfung und zur Konzentrationsbestimmung von optisch aktiven Stoffen, z.B. Glucose, Fructose, Saccharose u.a.. in der Zuckerindustrie, Molkereiindustrie, Weinindustrie, Getränkeindustrie, Fruchtindustrie. Weitere Einsatzgebiete sind: in Zucker- und Weinlaboratorien, für Untersuchungen von Lebensmittelzusatzstoffen, in der Medizin zur Kontrolle von Zucker und Albumin im Urin, in der Kosmetikindustrie zur Überprüfung von optisch aktiven ätherischen Ölen und Duftstoffen.