Polarisator

Polarisationsapparat nach Nörrenberg für den Physikunterricht

Ein Polarisator ist ein Bauteil, das die Polarisation einfallender elektromagnetische Wellen auf definierte Art verändert, sodass die ausfallenden elektromagnetischen Wellen eine andere Polarisation aufweisen.

Meist verwendet man einen linearen Polarisator, der Licht mit einer bestimmten linearen Polarisation aus nicht oder anders polarisiertem Licht herausfiltert, sodass idealerweise nur dieses nach dem Polarisator vorliegt. Manche Polarisatoren erreichen dies durch Absorption der Strahlung mit der nicht erwünschten Polarisation. Andere trennen die verschieden Polarisationskomponenten räumlich. Ideale lineare Polarisatoren werden durch das Gesetz von Malus beschrieben. Daneben existieren auch zirkulare Polarisatoren.

Polarisatoren sind für die Funktion von Flüssigkristallanzeigen von Computermonitoren und Mobiltelefonnen unverzichtbar. Polarisationsmikroskope und viele Methoden der Spektroskopie setzen Polarisatoren ein, um den Einfluss der Probe auf die Polarisation des Lichts zu untersuchen. In der Fotografie werden Polarisationsfilter eingesetzt, um Reflexe an Glasscheiben zu vermindern, oder das Blau des Himmels intensiver erscheinen zu lassen.

Ein Polarisator, der benutzt wird, um vorhandene Polarisation festzustellen oder zu messen, heißt auch Analysator

Erzeugung von Linearpolarisation

Eine lineare Polarisation lässt sich durch Ausnutzung eines von drei physikalischen Effekten erzeugen.

Polarisation durch Dichroismus

Ein dichroitischer Polarisator, ein Polarisator, der auf dem Dichroismus basiert, absorbiert die beiden Komponenten von linear polarisiertem Licht stark asymmetrisch, das heißt, eine der Komponenten wird stark absorbiert, die andere im Wesentlichen transmittiert.

Bei Polarisatoren aus dichroitischen Kristallen hängt die Absorption von der Polarisationsrichtung relativ zur optischen Achse ab. Durch einfaches Drehen dieser Kristalle lässt sich erreichen, dass nur die gewünschte Polarisationsrichtung durchgelassen wird. Die Kosten für solche Einkristalle steigen jedoch mit zunehmender Kristallgröße erheblich, so dass für großflächige Polarisatoren nach Alternativen gesucht wurde. Einen dieser alternativen Polarisatoren entwickelte Edwin Herbert Land. Er basierte auf der parallelen Anordnung von nadelförmigen dichroitischen Herapathit-Kristalliten auf einer Folie, der sogenannten J-Folie (engl. J-sheet, ca. 1930).

Nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert die sogenannte H-Folie (H-sheet, Edwin Herbert Land, 1938). Sie besteht aus einer Polyvinylalkohol-Folie (PVA), deren konjugierte Ketten Chromophore darstellen, also Licht absorbieren. Durch Dotierung mit Jod entstehen in den Ketten bewegliche Löcher, was die Absorption für Licht, das parallel zu den Ketten polarisiert ist, aus dem UV-Bereich in den sichtbaren Bereich verschiebt. Eine parallele Ausrichtung der zunächst ungeordneten Ketten erreichte Land, indem er die PVA-Folie in einer Richtung streckte („reckte“). Heutzutage werden anstelle von PVA-Folien auch Folien aus Zellulosehydrat genutzt (vgl. Polarisationsfilter).

Polarisation durch Doppelbrechung

Polarisatoren, deren Wirkung auf den doppelbrechenden Eigenschaften der verwendeten Materialien basiert, werden allgemein als Polarisationsprismen bezeichnet. Bei doppelbrechenden Materialien hängt der Brechungsindex von der Polarisation des Lichtes ab, daraus folgt, dass Licht unterschiedlicher (linearer) Polarisation unterschiedlich gebrochen wird, das heißt, die senkrecht zueinander polarisierten Anteile des Lichtes nehmen unterschiedliche Wege durch das Material und können auf diese Weite getrennt werden.

Wollaston-Prisma

Rochon-Prisma

Glan-Thompson-Prisma

Die in der Praxis üblicherweise verwendeten doppelbrechenden Polarisatoren sind das Nicolsche Prisma, das Rochon-Prisma sowie das Glan-Thompson-Prisma. Darüber hinaus gibt es noch eine Vielzahl weiterer polarisierender Prismen, die sich vorrangig in der Anordnung der doppelbrechenden Kristalle unterscheiden. Aus der Anordnung ergibt sich auch, ob nur eine bestimmte Polarisation oder ob beide Strahlen in unterschiedlichen Austrittswinkeln das Gesichtsfeld erreichen.

Polarisatoren, bei denen nur eine Polarisation im Gesichtsfeld erscheint, sind:

• Ahren-Prisma
• Nicolsches Prisma
  • Nicol-Halle-Prisma
  • Hartnack-Prazmoweky-Prisma
• Glan-Prismen: Zeichnen sich durch zur optischen Achse geschliffene Einfallsflächen aus.
  • Glan-Thompson-Prisma
  • Glan-Foucault-Prisma
  • Lippich-Prisma (nach F. Lippich)
    • Glan-Taylor-Prisma
    • Marple-Hess-Prisma
  • Frank-Ritter-Prisma

Polarisatoren, bei denen beide Polarisationen im Gesichtsfeld erscheinen, sind:

• Hofmann-Prisma
• Soret-Prisma
• Wollaston-Prisma
  • Nomarski-Prisma
  • Rochon-Prisma
  • Sénarmont-Prisma

Polarisation durch Reflexion

Schema eines auf dem Brewster-Winkel basierenden Polarisators. Um den Grad der Polarisation zu erhöhen, sind mehrere Einzelpolarisatoren hintereinander platziert

Fällt unpolarisiertes Licht unter dem Brewster-Winkel auf eine Glasplatte, ist der reflektierte Teil linear, und zwar senkrecht zur Einfallsebene des Lichtes, polarisiert. Der transmittierte Anteil ist nur teilweise polarisiert. Lässt man dieses Licht jedoch durch mehrere Platten unter dem Brewster-Winkel laufen, lässt sich auch dieser Anteil linear polarisieren. Die Polarisationsebene ist hierbei parallel zur Einfallsebene.

Elektromagnetische Wellen im Zentimeter- bis Mikrometerbereich lassen sich mit einem Drahtgitterpolarisator polarisieren. Dieser wirkt für die (elektrische) Polarisationskomponente parallel zu den Drähten wie ein vollflächiger Metallspiegel, für die senkrechte Komponente ist er als Isolator durchsichtig.

Erzeugung von Zirkularpolarisation

Für die Erzeugung einer Zirkularpolarisation ist es notwendig, eine Phasendifferenz von 90° zwischen senkrecht und parallel polarisiertem Anteil herzustellen. Zu diesem Zweck werden in der Regel Verzögerungsplatten eingesetzt, bei denen eine Polarisationskomponente sich langsamer in dem optisch anisotropem Material ausbreitet als die andere (ähnlich wie beim Polarisationsprisma). Darüber hinaus kann die Phasendifferenz auch durch eine genau definierte Reflexion in einem optisch transparenten Material erzielt werden, beispielsweise in einem Fresnelschen Parallelepiped.

Verzögerungsplatte

→ Hauptartikel: Verzögerungsplatte

Funktionsweise eines λ/4-Plättchens, Details sind in der hohen Auflösung erläutert

Bei Licht kann man eine zirkular polarisierte Welle erzeugen durch Beleuchtung eines λ/4-Plättchens mit einer linear polarisierten Welle, so dass dessen schnelle Achse mit der Polarisation des einfallenden Strahls einen Winkel von 45° einschließt.

Je nachdem, wie die lineare Polarisationsrichtung der einfallenden Welle relativ zur Achse des λ/4-Plättchens liegt, ergibt sich eine links- oder rechtszirkular polarisierte Welle. Wenn die einfallende Welle nicht mit exakt 45° Winkellage in das Plättchen eintritt, ergibt sich je nach Winkel elliptisch polarisiertes Licht. Bei einer Winkellage von 0° bzw. 90° passiert das linear polarisiert einfallende Licht das λ/4-Plättchen ohne eine Änderung der Polarisation.

Ferner können in der Funktechnik zirkular polarisierte Wellen auch durch geeignete Antennen erzeugt werden. Das hat zum Beispiel bei Funkverbindungen mit Satelliten Vorteile gegenüber der horizontalen oder vertikalen Polarisation; die Schwankungen der Signalstärke sind geringer.

Beim Rundfunk wird die Zirkularpolarisation nur in Sonderfällen angewandt, wenn zum Beispiel Mittelwellensender eine Steilstrahlantenne verwenden. Für das Ergebnis spielt die Wahl des Drehsinns eine entscheidende Rolle.

Fresnelsches Parallelepiped

Neben dem Einsatz einer Verzögerungsplatte können auch spezielle Reflexionsprismen, die nur den Effekt der Totalreflexion ausnutzen, als Prismen-Polarisatoren für die Erzeugung einer Zirkularpolarisation genutzt werden. Ein bekanntes Beispiel ist das Fresnelsche Parallelepiped – ein Parallelepiped ist ein Prisma in spezieller Geometrie. Die notwendige Phasendifferenz von 90° zwischen senkrecht und parallel polarisiertem Anteil wird hierbei durch eine zweimalige Totalreflexion bewirkt, bei denen die Polarisationsanteile unterschiedlich reflektiert werden (vgl. Fresnel-Gleichungen) und so ein Phasensprung von jeweils 45° auftritt. Der Einfallswinkel auf die Grenzflächen muss dabei sehr genau eingestellt werden, er beträgt beispielsweise bei einem Parallelepiped aus Kronglas (n ≈ 1,5), wie es Augustin Jean Fresnel nutzte, rund 54°37′.

Anwendungen

Optik

Neben der Erzeugung von polarisiertem Licht können Polarisatoren auch als Filter dienen. So kann beispielsweise eine Kombination von zwei drehbar hintereinander gebauten Polarisatoren als „variabler Abschwächer“ von unpolarisiertem Licht Verwendung finden. Auch in der Fotografie werden Polarisationsfilter eingesetzt, siehe Polarisationsfilter. Dabei wird eine bestimmte Polarisationskomponente herausgefiltert, um beispielsweise unerwünschte Reflexionen auf Gewässern oder Glasscheiben abzuschwächen.

Eine weitere Anwendung von Polarisatoren findet sich in Polarisationsmodulatoren.

Polarimetrie

In der Analytik werden Polarisatoren immer paarweise in Polarimetern verwendet, um über den Drehwert den Gehalt oder die Reinheit einer optisch aktiven Substanz zu bestimmen.

Satellitenempfangsanlagen

Polarisatoren werden auch in Satellitenempfangsanlagen eingesetzt; wobei in entsprechenden Beschreibungen und im Techniker-Sprachgebrauch oft auch der englischsprachige Begriff polarizer verwendet wird. Ein Polarisator dient bei einer Empfangsanlage mit nur einem LNB-Erreger dazu, auch den Empfang von Frequenzen in einer anderen elektromagnetischen Polarität (x/y) zu ermöglichen. Dabei dreht der Polarisator das von einem Satellitenspiegel konzentrierte elektromagnetische Feld stufenlos in jene optimale Position. So wird beim Empfang durch den LNB-Erreger die größtmögliche Feldstärke und die beste Kreuzmodulations-Entkopplung ermöglicht. Der gewünschte Drehwinkel (vgl. Skew) wird vom Sat-Receiver durch analoge oder digitale Steuersignale vorgegeben.

Sat-Empfangsanlagen mit Polarisator eignen sich daher besonders für Sat-Drehanlagen, welche eine stufenlose Anpassung der Polarisation je Satellitenposition benötigen. Polarisatoren werden bei feststehenden Sat-Empfangsanlagen heute durch kostengünstige LNB mit zwei integrierte Erregerantennen in x/y-Anordnung aufgehoben.

Polarisationssteuerung durch einen drehbaren Reflektor

Polarisationssteuerung durch magnetisierten Ferritstab

Es gibt drei wesentliche Bauformen von Polarisatoren, die in Satellitenempfangsanlagen eingesetzt werden:

1. Mechanische: Die gewünschte Polarität wird durch eine kleine drehbare Dipolantenne selektiert.
2. Magnetische: Element der Parabolantenne, welches aus einer Spule und einer zirkularen Wellenführung besteht. Der Strom in der Spule erzeugt in einem Ferritstab ein magnetisches Feld, welches in der Lage ist zu polarisieren. Mit dieser Technik ist es möglich, einen Kanal einer Polarität zu empfangen, wahrend man einen Kanal einer anderen Polarität unterdrückt.
3. Mechanische Drehvorrichtungen, welche ein gesamtes LNB in eine zum Empfang gewünschte Polarisation drehen.

Literatur

• Jean M. Bennett: Polarizers. In: Michael Bass, Casimer Decusatis, Vasudevan Lakshminarayanan, Guifang Li, Carolyn MacDonald, Virendra Mahajan, Eric Van Stryland (Hrsg.): Handbook of Optics, Volume I. 3. Auflage. McGraw Hill Professional, 2009, ISBN 978-0-07-149889-0, S. 13.1 ff. (umfangreiche Zusammenstellung zu allen möglichen polarisierenden Prismen). 
• Hans Dodel, Sabrina Eberle: Satellitenkommunikation. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 2007, ISBN 3-540-29575-5. 

Weblinks

Commons: Polarisator – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Kenneth R. Spring, Thomas J. Fellers, Michael W. Davidson: Introduction to Prisms and Beamsplitters. 1. August 2003, abgerufen am 17. Januar 2010.

Einzelnachweise