Sie tragen vielleicht eine polarisierte Sonnenbrille, aber was bedeutet das? Wie unterscheiden sie sich von anderen Sonnenbrillentypen und warum sind sie nützlich? Polarisation bezieht sich in Bezug auf Licht auf den Prozess der Ausrichtung oder Filterung von Lichtwellen in eine einzige Richtung, die sich auf das, was Sie sehen können, auswirkt.
Licht als elektromagnetische Wellen
Eine elektromagnetische Welle ist eine Transversalwelle, die aus einer elektrischen Feldwelle besteht, die in einer Ebene schwingt senkrecht (im rechten Winkel) zu einer Magnetfeldwelle, die beide senkrecht zur Richtung von stehen Bewegung.
Da elektromagnetische Strahlung als Welle wirkt, hat jede bestimmte elektromagnetische Welle oder Lichtwelle eine damit verbundene Frequenz und Wellenlänge. Das Produkt aus Wellenlänge und Frequenz ist die Wellengeschwindigkeit.
Elektromagnetische Wellen benötigen jedoch kein Medium, durch das sie sich ausbreiten können, und können daher das Vakuum des leeren Raums durchqueren (was sie mit Lichtgeschwindigkeit tun – die schnellste Geschwindigkeit in der Welt Universum).
Elektromagnetische Wellen gibt es in vielen Varianten, darunter Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlung, sichtbares Licht, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen.
Da eine elektromagnetische Welle transversal mit einer Amplitude senkrecht zur Bewegungsrichtung ist, kann sie außerdem polarisiert werden – es gibt viele mögliche Ebenen senkrecht zur Bewegungsrichtung, aber eine polarisierte Welle hat nur in einer von eine transversale Amplitude Sie. Längswellen wie Schallwellen haben nur eine Verschiebung in Bewegungsrichtung und können daher nicht polarisiert werden.
Polarisation des Lichts
Unpolarisierte Lichtwellen haben mehrere überlagerte Orientierungen. Lichtwellen haben sowohl elektrische als auch magnetische Felder, die immer im rechten Winkel zueinander stehen – Polarisation wird konventionsgemäß durch die Richtung des elektrischen Feldes definiert. Wenn wir von vorne schauen, können wir sehen, dass die elektrischen Feldvektoren in alle verschiedenen Richtungen zeigen.
Wenn Licht durch einen Polarisator oder Polarisationsfilter geleitet wird, lässt der Filter nur den Lichtanteil mit parallel zum Filter ausgerichteten elektrischen Feldlinien durch. Dadurch wird das Licht polarisiert – alles in die gleiche Richtung orientiert. Dies ist lineare Polarisation.
Licht, das von Glühbirnen oder der Sonne kommt, ist nicht polarisiert. Die gebräuchlichsten Quellen für polarisiertes Licht sind Laser. Wenn zwei Polarisationsfilter im rechten Winkel zueinander vor eine einfallende Lichtquelle gehalten werden, wird das gesamte Licht blockiert. Bei einem kleineren Winkel (z. B. 45 Grad) wird nur ein Teil des Lichts blockiert.
Es gibt drei Arten von Lichtpolarisatoren: reflektierend, dichroitisch und doppelbrechend. Reflektierende Polarisatoren lassen nur eine bestimmte Polarisation des Lichts durch, während sie den Rest reflektieren; dichroitische Polarisatoren bewirken das Gegenteil, sie blockieren nur eine bestimmte Polarisation des Lichts, während sie alle anderen durchlassen. Bei der Doppelbrechung werden verschiedene Lichtpolarisationen unter verschiedenen Winkeln gebrochen, was die Auswahl verschiedener Lichtpolarisationen in Abhängigkeit von der gewünschten Polarisation ermöglicht.
Mit Lichtpolarisation werden Filme in 3D projiziert. Die 3D-Brillen, die Kinobesuchern gegeben werden, haben tatsächlich entgegengesetzte Polarisationsfilter in jeder Linse; links ein horizontaler Filter und rechts ein vertikaler Filter. Der Film wird dann von zwei verschiedenen Projektoren auf dieselbe Leinwand projiziert, wobei einer vertikal polarisiertes Licht projiziert und ein horizontal polarisiertes Licht projiziert. Das linke Auge sieht dann ein etwas anderes Bild als das rechte Auge, und das Gehirn kombiniert die Bilder, um eine Tiefenwahrnehmung zu erzeugen.
Brewster-Winkel und Polarisation durch Reflexion
Wenn ein Lichtstrahl auf eine Oberfläche eines Materials fällt, wird ein Teil des Lichts reflektiert und ein Teil davon gebrochen (es wandert durch das Material). Der Winkel des einfallenden Lichts, der erforderlich ist, damit das reflektierte Licht und das gebrochene Licht exakt im rechten Winkel stehen, wird Brewster-Winkel genannt.
Wenn der Einfallswinkel gleich dem Brewster-Winkel ist (abhängig von der Zusammensetzung der Medien auf entweder Seite der Oberfläche) und das einfallende Licht unpolarisiert ist, führt dies zu einer linearen Polarisation des reflektierten Licht. Hat das einfallende Licht eine materialspezifische Polarisation, wird es nur ohne reflektiertes Licht gebrochen.
Warum passiert das? Wenn das einfallende Licht vorübergehend von den Atomen in der Oberfläche des Materials absorbiert wird, schwingen die Elektronen in den Atomen des Materials. Da Lichtwellen transversal sind, muss die Polarisation senkrecht zur Bewegungsrichtung der Welle sein. Wenn also die Polarisation der einfallenden Welle in der Richtung ist, in der die reflektierte Welle sein sollte, kann die reflektierte Welle nicht existieren.
Wenn das einfallende Licht unpolarisiert ist, wird das reflektierte Licht horizontal parallel zur reflektierenden Oberfläche polarisiert. Dies wird als s-polarisiertes Licht bezeichnet. Licht mit Polarisation in der Einfallsebene oder der Ebene, die sich aus der Bewegungsrichtung des einfallenden Lichts und einem Vektor senkrecht zur Oberfläche bildet, wird als p-polarisiert bezeichnet.
Polarisierte Sonnenbrillen verwenden das Konzept des Brewster-Winkels, um die Sonnenlichtreflexion von horizontalen Oberflächen zu reduzieren. Wenn die Sonne tief am Himmel steht, gibt es viel s-polarisiertes Licht in der Reflexion von Oberflächen wie Wasser und Straßen. Polarisierte Sonnenbrillen blockieren Licht mit dieser Polarisation und reduzieren Blendung.
Polarisation durch Streuung
Die Streuung von einfallendem Licht an Luftmolekülen bewirkt, dass das Licht senkrecht zur Einfallsebene linear polarisiert wird. Luftmoleküle tragen ihre eigene kleine Schwingung in eine Richtung, die als Dipolmoment bekannt ist, und strahlen Energie senkrecht zur Linie dieser Schwingung ab. Wenn also das Dipolmoment eines Moleküls auf der ja-Achse, einfallendes unpolarisiertes Licht wird von ihr in der gestreut x-Richtung, polarisiert in der ja-Richtung (parallel zum Dipol).
Ist die Wellenlänge des einfallenden Lichts mit der Größe der Moleküle vergleichbar, spricht man von Rayleigh-Streuung. Die Rayleigh-Streuung ist für die Farbe des Himmels verantwortlich, sei es ein tiefes Blau eines schönen Tages oder ein tiefes Rot eines Sonnenuntergangs; die Farben ändern sich je nach Einfallswinkel des Sonnenlichts auf die Atmosphäre.
Polarisation durch Brechung
Polarisation kann auch durch Brechung oder Krümmung von Licht auftreten, wenn es von einem Medium in ein anderes übergeht. Am häufigsten tritt die Polarisation senkrecht zur Oberfläche auf.
Wenn der Brechungsindex eines Materials von der Einfallsrichtung und Polarisation des Lichts abhängt, wird dies als doppelbrechend bezeichnet. Bei doppelbrechenden Materialien wird ein einfallender Lichtstrahl durch Polarisation im Inneren des Materials in zwei Strahlen aufgespalten, die leicht unterschiedliche Wege nehmen.
Einige Wissenschaftler vermuten, dass ein doppelbrechender Kristalltyp namens "Calcit" von den Wikingern als Navigationshilfe, da seine lichtbrechenden Polarisationseigenschaften verwendet werden könnten, um die Sonne an einem bewölkten Tag oder sogar unter der Horizont.
Zirkulare Polarisation
Zirkulare Polarisation ist ein Polarisationszustand, in dem sich die Richtung des elektrischen Feldes mit der Zeit mit einer konstanten Geschwindigkeit in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung zirkular dreht. Dies kann man sich als den Vektor des elektrischen Feldes vorstellen, der eine Helix um die Ausbreitungsachse zieht, während sich die Welle ausbreitet. (Auch eine elliptische Polarisation, bei der die Helix in einer Dimension leicht gequetscht wird, ist möglich.)
Wenn der elektrische Feldvektor bei Blick in Richtung der Lichtquelle im Gegenuhrzeigersinn zu rotieren scheint, wird das Licht als rechtszirkular polarisiert bezeichnet. Wenn der Vektor im Uhrzeigersinn zu rotieren scheint, wird das Licht als linkszirkular polarisiert bezeichnet.
Zirkulare Polarisation wird durch zwei linear polarisierte Lichtwellen erzeugt, die senkrecht zueinander polarisiert sind und sich jeweils um 90 Grad phasenverschoben ausbreiten. Elliptische Polarisation liegt vor, wenn eine dieser Lichtwellen eine kleinere Amplitude als die andere hat, wodurch eher eine Ellipse als ein Kreis entsteht.