Polarisation von Licht durch Reflexion und Brechung

Polarisation durch Reflexion

Genauere Untersuchungen ergeben, dass vollständige Polarisation durch Reflexion nur unter bestimmten Bedingungen auftritt (Bild 2): Das reflektierte Licht ist dann linear polarisiert, wenn der Winkel zwischen reflektiertem in gebrochenem Strahl gerade 90° beträgt. Der elektrische Feldvektor des reflektierten polarisierten Lichtes schwingt dann senkrecht zur Einfallsebene (Zeichenebene). In der Skizze ist das durch Punkte markiert. Auch das Licht, das in den anderen Stoff übertritt, ist linear polarisiert, wobei dort die Schwingungsebene des elektrischen Feldvektors in der Einfallsebene liegt. Ist die genannte Bedingung von 90° zwischen reflektiertem und gebrochenem Strahl nicht erfüllt, so tritt teilweise Polarisation auf.
Die Bedingungen für vollständige Polarisation wurden erstmals von dem schottischen Physiker DAVID BREWSTER (1781-1868) formuliert. Das betreffende Gesetz wird als brewstersches Gesetz bezeichnet.
Ausgangspunkt ist das Brechungsgesetz in der Form:
$\begin{array}{l}n=\frac{\sin \alpha }{\sin \beta }\\ \text{Setzt man für den Winkel}\alpha \text{den speziellen Winkel}{\alpha }_{\text{p}}\text{ein}\text{,}\\ \text{so erhält man:}\\ n=\frac{\sin {\alpha }_{\text{p}}}{\sin \beta }\\ \text{Der Brechungswinkel}\beta \text{kann mithilfe des Einfallswinkels}{\alpha }_{\text{p}}\\ \text{ausgedrückt werden:}\beta =90°-{\alpha }_{\text{p}}.\text{Damit erhält man:}\\ n=\frac{\sin {\alpha }_{\text{p}}}{\sin (90°-{\alpha }_{\text{p}})}\\ \text{Da}\sin (90°-{\alpha }_{\text{p}})=\cos {\alpha }_{\text{p}}\text{ist}\text{, erhält man:}\\ n=\frac{\sin {\alpha }_{\text{p}}}{\cos {\alpha }_{\text{p}}}\\ \text{Mit}\frac{\text{sin}\alpha }{\cos \alpha }=\tan \alpha \text{ergibt sich:}\\ n=\tan {\alpha }_{\text{p}}\end{array}$

Damit besagt das brewstersche Gesetz: Vollständige Polarisation des an einer Oberfläche reflektierten Lichtes tritt dann auf, wenn der Tangens des Einfallswinkels gleich der Brechzahl ist.
Den betreffenden Winkel bezeichnet man als Polarisationswinkel oder als BREWSTER-Winkel.

Polarisation durch Brechung

Eine Möglichkeit der Polarisation durch Brechung wurde bereits oben dargestellt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass Licht durch bestimmte Kristalle hindurchtritt und dabei linear polarisiert wird. Zu solchen Kristallen zählen Kalbspat, Turmalin, Quarz oder Glimmer. Die Erscheinung, dass Licht an einem Kristall je nach seiner Schwingungsrichtung in unterschiedlicher Weise gebrochen wird, bezeichnet man als Doppelbrechung . Die unterschiedlich gebrochenen Strahlen sind jeweils linear polarisiert. So wird z.B. bei Kalkspat (Bild 3) der ordentliche Strahl senkrecht zur Zeichenebene linear polarisiert, der außerordentliche Strahl ist senkrecht dazu polarisiert. Legt man einen solchen Kristall auf eine Buchseite, so sieht man die Schrift doppelt (Foto Bild 3). Solche Kristalle verhalten sich optisch anisotrop, haben also in den verschiedenen Richtungen unterschiedliche optische Eigenschaften. Im Unterschied dazu sind Stoff wie Glas oder Wasser optisch isotrop, haben also in den verschiedenen Richtungen gleiche optische Eigenschaften.

Unter bestimmten Bedingungen tritt aber auch in solchen optisch isotropen Stoffen Doppelbrechung auf. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn man diese Stoffe durch Zug- oder Druckkräfte verformt und damit innere Spannungen entstehen, die zu einer unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes in den verschiedenen Richtungen und damit zu einer Doppelbrechung führen. Diese Art der Doppelbrechung wird als Spannungsdoppelbrechung bezeichnet. Bringt man die betreffenden Stoffe zwischen gekreuzte Polarisationsfolien und beleuchtet sie dabei mit weißem Licht, so ergeben sich durch Interferenz vielfältige Farben, die von der Stärke der Verformung abhängen. Eine solche Doppelbrechung am Beispiel eines Kranhakens und eines Balkens, der an unterschiedlichen Stellen belastet beziehungsweise unterstützt wird. In der Technik wird die Spannungsdoppelbrechung dazu genutzt, um an Modellen von Haken, Brücken oder Trägern die Spannungen zu untersuchen, die bei den betreffenden Teile auftreten.

Polarisation unter dem Einfluss elektrischer Felder

Doppelbrechung tritt auch bei einigen optisch isotropen Stoffen dann auf, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt sind. Ein solcher Stoff ist Nitrobenzol. Schickt man linear polarisiertes Licht zwischen den Platten eines geladenen Kondensators hindurch, zwischen denen sich Nitrobenzol befindet, so wird dieser Stoff unter dem Einfluss des elektrischen Feldes dopelbrechend. Es entstehen zwei Komponenten, von denen eine parallel und die andere senkrecht zum elektrischen Feld polarisiert ist. Da beide Komponenten unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben, ist das Licht nach dem Austritt aus diesem Bereich elliptisch polarisiert. Dieser Effekt wird nach dem schottischen Physiker JOHN KERR (1824-1907) als KERR-Effekt bezeichnet.
Eine Anordnung, nennt man KERR-Zelle. Sind Polarisator und Analysator - beides sind Polarisationsfilter - gekreuzt, so tritt kein Licht hindurch, wenn an der KERR-Zelle keine Spannung liegt. Wird aber an die KERR-Zelle eine Spannung angelegt, so tritt aufgrund der Doppelbrechung Licht durch den Analysator hindurch. KERR-Zellen eignen sich zur praktisch trägheitslosen elektrischen Helligkeitssteuerung eines Lichtbündels bei Frequenzen von bis zu etwa ${10}^8\text{Hz}\text{.}$
KERR-Zellen nutzt man deshalb zur Untersuchung schnell veränderlichen Vorgänge, etwa zur Messung der Lichtgeschwindigkeit, zur Bestimmung der Abklingdauer leuchtender Atome oder lumineszierender Substanzen.

Polarisation durch Polarisationsfilter oder Polarisationsfolien

In der Technik verwendet man heute zur Erzeugung von polarisiertem Licht und auch für die verschiedenen Anwendungen Polarisationsfilter oder Polarisationsfolie. Dabei wird genutzt, dass in den betreffenden Materialien Kohlenstoffketten ähnlich wie Gitterstäbe bei Mikrowellen linienförmig und parallel zueinander angeordnet sind. Diese Kohlenstoffketten bewirken eine lineare Polarisierung des Lichtes. Statt Kohlenstoff verwendet man auch Kunststoffolien mit parallel zueinander angeordneten nadelförmigen Herapathit-Kristallen (schwefelsaures Iodchinin).