miniatur|hochkant=0.8|Linear polarisierte Welle. Die x- und y-Komponenten schwingen in Phase, die Schwingungsrichtung liegt konstant entlang der Diagonale zwischen den x- und y-Achsen. miniatur|hochkant=0.8|Zirkular polarisierte Welle. Die x- und y-Komponenten schwingen um 90º phasenversetzt, die Schwingungsrichtung rotiert mit konstanter Winkelgeschwindigkeit. Die Polarisation einer Transversalwelle beschreibt die Richtung ihrer Schwingung. Man unterscheidet linear polarisierte Wellen, die eine räumlich und zeitlich feste Schwingungsrichtung haben, und zirkular oder elliptisch polarisierte Wellen, in denen sich die Richtung mit fester Winkelgeschwindigkeit ändert.

Wenn sich die Schwingungsrichtung schnell und ungeordnet ändert, dann spricht man von einer unpolarisierten Welle.

Historisch wurde die Polarisation zuerst als eine Eigenschaft elektromagnetischer Wellen beschrieben, die angibt, in welcher Ebene die elektrischen Feldvektoren schwingen.

Bei in Ausbreitungsrichtung schwingenden Wellen, den Longitudinalwellen, wie etwa beim Schall in Luft, gibt es keine Polarisation im eigentlichen Sinn. Schallwellen in Festkörpern können außer transversalem auch longitudinalen Charakter haben, im letzteren Fall spricht man auch von longitudinaler Polarisation.

Die Untersuchung der Polarisation von Transversalwellen ist Gegenstand der Polarimetrie. Der Polarisationsgrad gibt den geordneten Anteil der Wellen an. Gemessen wird der Polarisationsgrad mittels Polarimetern.

Bauelemente, die unpolarisiertes Licht polarisieren oder polarisiertes Licht abhängig von der Art und Richtung der Polarisation aufteilen oder unterdrücken, heißen Polarisatoren.

Geschichte Bei der Untersuchung des Lichtdurchgangs durch Kalkspat stellte der französische Physiker Étienne Louis Malus 1808 fest, dass Licht unter bestimmten Umständen seine Symmetrie um die Fortpflanzungsrichtung verliert und somit eine „Seitlichkeit“ aufweist. Diese Eigenschaft nannte man nach Malus Vorschlag „Polarisation“. 1809 veröffentlichte Malus seine Erkenntnisse über die Polarisation durch Reflexion und im Jahr 1810 stellte er seine Theorie zur Doppelbrechung vorGeschichte der Polarisation In: LEIFIphysik und formulierte das Gesetz von Malus.

1814 entdeckte David Brewster, dass, wenn unpolarisiertes Licht in einem bestimmten Winkel auf die Grenzfläche zweier Medien trifft, das reflektierte Licht senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist.

Um 1817 führte François Arago verschiedene Experimente zur Interferenz von polarisiertem Licht durch. Arago zerschnitt einen Quarzkristall senkrecht zur Kristallachse und erkannte die Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht.Wie funktioniert eigentlich ein Polarimeter? Zusammen mit Thomas Young, dem Arago die Ergebnisse zur Diskussion zusandte, kamen sie zu der Erkenntnis, dass es sich bei Licht um zwei senkrecht zueinander orientierte Transversalwellen handeln musste.

William Nicol erfand 1828 ein Polarisationsprisma, das nach ihm nicolsches Prisma benannt wurde und aus einem geschnittenen Kalkspatkristall bestand.

1841 ließ Arago einen cyanopolarimeter bei dem Gerätemacher Jean-Baptiste Soleil anfertigen, mit dem er die Rotation des polarisierten Lichts maß.Arago's cyanopolarimeter (1841) bei: HORIBA Scientific

Im Jahr 1844 konstruierte Eilhard Mitscherlich einen Polarisationsapparat, der etwa zur Zuckerbestimmung im Harn Anwendung fand.

Jean Baptiste SoleilJean-Baptiste Soleil’s sensitive tint saccharimeter (1848) bei: HORIBA Scientific, Josef Pohl und Heinrich von Wild entwickelten Vorformen des Polarimeters zur Saccharimetrie mit zwei nicolschen Prismen und beobachteten direkt den Grad der Ablenkung der Polarisation.Jean-François Loude: Heinrich Wild’s Polaristrobometer: An early form of chemical polarimeter Museum of Physics Instruments at the University of Lausanne abgerufen am 1. Juni 2024.

Eine enge Zusammenarbeit des Chemikers Karl Ventzke von der schicklerschen Zuckerfabrik mit einem Hersteller für optische Geräte legte 1890 den Grundstein für eine effektive Saccharosemesstechnik, bei der die Polarisation noch heute genutzt wird. Sie stellte den Zusammenhang zwischen der optischen Rotation von Quarz und der von Saccharose her und wurde fortan zur Messung des Saccharosegehalts in Zuckerrüben eingesetzt.Geschichte des Unternehmens Schmidt und Hänsch, abgerufen am 1. Juni 2024

Polarisationsarten miniatur|hochkant=1|Polarisation einer stehenden Welle auf einem Gummifaden. Im Vordergrund wird das Ende des Fadens durch das Spannfutter einer Bohrmaschine im Kreis geführt. Dadurch entsteht eine zirkuläre Schwingung. Zwei parallele Metallstangen erlauben eine freie Bewegung des Gummis in waagerechter, nicht aber in senkrechter Richtung. Dadurch schwingt das Gummi hinter den Stangen nur noch in einer Ebene. Dies entspricht linearer Polarisation. lineare Polarisation: Die Richtung der Schwingung ist konstant. Die Auslenkung aus der Ruhelage (im Fall der mechanischen Welle eine Verschiebung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung) ändert periodisch ihren Betrag und ihr Vorzeichen. Die Richtung in Bezug auf eine bestimmte Ebene kann als Winkel angegeben werden (bei seismischen Wellen üblich) oder als Anteil der beiden Komponenten parallel bzw. senkrecht. Für elektromagnetische Wellen siehe das folgende Kapitel. miniatur|hochkant=1|Bild 2. Zirkulare Polarisation: Auslenkung (z. B. einer Seilwelle) in x- und y-Richtung (in Ausbreitungsrichtung beträgt sie Null) in Abhängigkeit von der Zeit und von der z-Komponente des Ortes. Rot und blau die Komponenten der Auslenkung, schwarz die 3D-Ansicht. Der Pfeil illustriert den umlaufenden Auslenkungsvektor für einen Raumpunkt. zirkulare Polarisation: (im 19. Jahrhundert als drehende Polarisation bezeichnet) Der Betrag der Auslenkung ist (abgesehen von Modulation) konstant, ihre Richtung ändert sich innerhalb der senkrecht zum Wellenvektor stehenden Ebene (der xy-Ebene im Bild) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit. Für den Drehsinn siehe Helizität. Allerdings wird in der Literatur, besonders der älteren, häufig „rechtszirkular polarisiert“ als Umlauf im Uhrzeigersinn bei Blickrichtung gegen die Ausbreitungsrichtung definiert (entsprechend einer Linksschraube).Ebenso in , TU München, abgerufen 2017. Dort wird diese Konvention als unglücklich bezeichnet und darauf hingewiesen, dass in neuerer Literatur bisweilen die umgekehrte Definition verwendet wird (entsprechend der üblichen Konvention bei der Helizität) (S. 95). Abkürzungen: RHCP und LHCP für rechts- oder linkshändige Polarisation (eng. und ). elliptische Polarisation: Ist die Mischform der beiden oben genannten, bei der die Auslenkung eine Ellipse beschreibt.

Mathematische Beschreibung

Mathematisch werden die möglichen Polarisationen von Wellen der gleichen Wellenlänge und Frequenz als Elemente eines 2-dimensionalen Vektorraums aufgefasst. Was physikalisch eine Überlagerung von Zuständen ist, dem entspricht auf mathematischer Seite eine Linearkombination von Vektoren. Da beim Überlagern Amplitude () und Phase () beachtet werden müssen, dienen als Skalarfaktoren komplexe Zahlen (): Die Polarisationszustände des Lichts bilden daher einen Vektorraum über dem Körper der komplexen Zahlen. Als Basis (mit der man jeden Vektor darstellen kann) werden einerseits gern die zwei (links- bzw. rechtsdrehenden) zirkular polarisierten Zustände verwendet, anderseits auch zwei beliebige linear polarisierte Zustände mit aufeinander senkrechten Schwingungsebenen. Jede Basis lässt sich durch die andere ausdrücken. So ist ein zirkular polarisierter Zustand eine Überlagerung von zwei synchronen linear polarisierten Zuständen mit zueinander senkrechter Schwingungsebene, aber auch ein linear polarisierter Zustand eine Überlagerung der zwei zirkular polarisierten. Die Lage der Schwingungsebene wird dabei durch die Phasendifferenz der zirkular polarisierten Zustände bestimmt. Werden Basiszustände mit unterschiedlicher Amplitude oder ein zirkular mit einem linear polarisierten Zustand überlagert, so erhält man elliptisch polarisiertes Licht.

Photonen sind Bosonen und können in den Basiszuständen des Spins in Flugrichtung die Spinkomponenten +1 oder −1 haben, was den beiden Möglichkeiten der zirkularen Polarisation entspricht (die Komponente Null kann nicht vorkommen, da sich das Photon mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, siehe Helizität). Die Spinachsen zeigen dabei je nach Helizität in Ausbreitungsrichtung oder dagegen. Lineare Polarisation entsteht durch lineare Überlagerung der beiden zirkular polarisierten Zustände mit gleicher Amplitude, die Photonen haben dann für den Erwartungswert des Drehimpulses den Wert Null.

Bei der Beschreibung von Überlagerungen von Wellen gleicher Frequenz ist stets das Amplitudenverhältnis und die Phasenlage anzugeben. Wenn zwei zirkular polarisierte Wellen, eine rechts- und eine linksdrehend, überlagert werden, ergeben sich folgende Polarisationen: Bei gleichen Intensitäten und variabler Phasendifferenz ist die resultierende Polarisation linear und die Richtung hängt von der Phasenlage der Basispolarisationen ab. In jedem anderen Fall resultiert elliptische Polarisation. Wenn zwei linear polarisierte Wellen, deren Polarisationsrichtungen senkrecht aufeinander stehen, überlagert werden, ergeben sich folgende Polarisationen: Bei Phasendifferenz null oder einem Vielfachen von ist die resultierende Polarisation linear und die Richtung hängt vom Amplitudenverhältnis ab. Bei einem Phasenunterschied von und gleichen Amplituden ist die resultierende Polarisation zirkular. In jedem anderen Fall ist die resultierende Polarisation elliptisch.

Sind auch die absolute Intensität und der Polarisationsgrad von Interesse, so sind insgesamt vier Angaben notwendig, als vierdimensionaler reellwertiger Stokes-Vektor oder als zweidimensionaler komplexwertiger Jones-Vektor. Ist man nur an der Polarisation und nicht an der absoluten Intensität interessiert, wird oft die Poincaré-Kugel zur Darstellung der Polarisationszustände verwendet.

Quasimonochromatisches Licht kann alternativ auch durch die Kohärenzmatrix beschrieben werden.Lexikon der Optik: Kohärenzmatrix Die Beschreibung der Wirkung eines polarisationsverändernden optischen Elementes bei optisch aktiven Materialien erfolgt durch Multiplikation mit einer entsprechenden Müller-Matrix beziehungsweise einer Jones-Matrix.

Polarisation elektromagnetischer Wellen

Unpolarisiertes und polarisiertes Licht in der Natur

Die auf der Erde und im Universum überwiegend beobachtete Ausprägung elektromagnetischer Strahlung ist thermische Strahlung und damit zunächst unpolarisiert, das heißt, die Einzelwellen sind in ihren Eigenschaften statistisch verteilt; es handelt sich also um die Überlagerung einer Vielzahl von Einzelwellen mit unterschiedlicher Lage von Schwingungsebene und relativer Phase. Durch Reflexion und/oder Streuung entsteht daraus teilpolarisiertes Licht, bei dem ein Teil der Einzelwellen gleiche Eigenschaften hinsichtlich ihrer Polarisation aufweist und als Polarisationsmuster erscheint.

Schräge Reflexion an Grenzflächen, z. B. an einer Wasseroberfläche, trennt Licht teilweise nach seiner Polarisationsrichtung auf. Der in der Reflexionsebene polarisierte Anteil dringt eher ein, der dazu senkrechte Anteil wird eher reflektiert. Für die quantitative Abhängigkeit vom Einfallswinkel siehe Fresnelsche Formeln.

Das blaue Licht des Himmels ist von Molekülen und statistischen Dichteschwankungen der Luft gestreutes Sonnenlicht. Die Luft wird durch die einfallende Welle in zufällige Richtungen senkrecht zur Einfallsrichtung elektrisch polarisiert. Streulicht in Richtungen dieser Schwingungsebene (Streuwinkel 90°) schwingt in ebendieser Ebene, ist also vollständig polarisiert. Für die Abhängigkeit vom Streuwinkel siehe Rayleighstreuung. Das Himmelslicht ist jedoch durch Vielfachstreuung und Streuung an Partikeln nicht vollständig polarisiert.

Wahrnehmung von polarisiertem Licht