Quelltext der Seite Polarisation

{{Dieser Artikel|befasst sich mit der Polarisation von Transversalwellen. Andere Bedeutungen sind unter [[Polarisierung]] aufgeführt.}}

[[Datei:Polarizacio.jpg|miniatur|hochkant=1.5|Polarisation einer [[Stehende Welle|stehenden Welle]] auf einem Gummifaden. Im Vordergrund wird das Ende des Fadens durch das Futter 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.]]

Die '''Polarisation''' einer [[Transversalwelle]] beschreibt die Richtung ihrer [[Schwingung]]. Ändert sich diese Richtung schnell und ungeordnet, spricht man von einer unpolarisierten Welle.
Der [[Polarisationsgrad]] gibt den geordneten Anteil an.
Allgemein ist Polarisation eine physikalische Eigenschaft [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischer Wellen]], die beschreibt, in welcher [[Schwingungsebene|Ebene]] die [[Elektrisches Feld|elektrischen Feldvektoren]] schwingen.
Bei in [[Ausbreitungsrichtung]] schwingenden Wellen, den [[Longitudinalwelle]]n, wie etwa beim [[Schall]], gibt es keine Polarisation im eigentlichen Sinn bzw. man spricht von longitudinaler Polarisation.
Die Untersuchung der Polarisation von Transversalwellen ist Gegenstand der [[Polarimetrie]].

Bauelemente, die unpolarisiertes Licht polarisieren oder polarisiertes Licht abhängig von der Art und Richtung der Polarisation aufteilen oder unterdrücken, heißen [[Polarisator]]en. Gemessen wird der Polarisationsgrad mittels [[Polarimeter]]n.
[[Datei:Rising circular.gif|miniatur|hochkant=1.5|Zirkulare Polarisation: Auslenkung (z.&nbsp;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.]]

Bei der Untersuchung des Lichtdurchgangs durch [[Kalkspat]] stellte der französische Physiker [[Louis Malus|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 (Physik)|Reflexion]] und im Jahr 1810 stellte er seine Theorie zur [[Doppelbrechung]] vor<ref name = "Leifi">[https://www.leifiphysik.de/optik/polarisation/geschichte/geschichte-der-polarisation ''Geschichte der Polarisation''] In: [[LEIFIphysik]]</ref> und formulierte das [[Gesetz von Malus]].

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

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.<ref>[https://www.kruess.com/campus/polarimetrie/wie-funktioniert-ein-polarimeter/ ''Wie funktioniert eigentlich ein Polarimeter?'']</ref> Zusammen mit [[Thomas Young (Mediziner)|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.<ref>{{Literatur |Autor=Dennis H. Goldstein |Titel=Polarized Light, Revised and Expanded |Auflage=2 |Verlag=CRC Press |Datum=2011 |ISBN=978-0-203-91158-7 |Seiten=xiii |Online={{Google Buch|BuchID=aWX5jj603PoC|SeitenID=PR13}}}}</ref>

[[William Nicol]] erfand 1828 ein [[Polarisationsprisma]], das nach ihm [[nicolsches Prisma]] benannt wurde und das 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.<ref>[https://www.horiba.com/deu/scientific/resources/jobin-yvon-history-200-years-of-optical-innovation/instrumentation-1819-1874/aragos-cyanopolarimeter-1841/ ''Arago's cyanopolarimeter (1841)''] bei: HORIBA Scientific</ref>

Im Jahr 1844 konstruierte [[Eilhard Mitscherlich]] einen Polarisationsapparat, der etwa zur Zuckerbestimmung im Harn Anwendung fand.<ref>[[Paul Diepgen]], [[Heinz Goerke]]: ''[[Ludwig Aschoff|Aschoff]]/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin.'' 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 38.</ref>

Jean Baptiste Soleil<ref>[https://www.horiba.com/deu/scientific/resources/jobin-yvon-history-200-years-of-optical-innovation/instrumentation-1819-1874/jean-baptiste-soleils-sensitive-tint-saccharimeter-1848/ ''Jean-Baptiste Soleil’s sensitive tint saccharimeter (1848)''] bei: HORIBA Scientific</ref>, [[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.<ref>{{Wikisource|MKL1888:Saccharimetrie|Saccharimetrie|lang=|suffix=}}</ref><ref>Jean-François Loude: [https://infoscience.epfl.ch/nanna/record/200270/files/JFL_SIC_2011.pdf?withWatermark=0&withMetadata=0&version=1&registerDownload=1 ''Heinrich Wild’s Polaristrobometer: An early form of chemical polarimeter''] Museum of Physics Instruments at the University of Lausanne abgerufen am 1. Juni 2024.</ref>

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.<ref>[https://schmidt-haensch.com/de/historie/ ''Geschichte des Unternehmens  Schmidt und Hänsch''], abgerufen am 1. Juni 2024</ref>

== Polarisationsarten ==
* '''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 (Zahl)|Vorzeichen]]. Die Richtung in Bezug auf eine bestimmte Ebene kann als Winkel angegeben werden (bei [[Seismische Welle|seismischen Wellen]] üblich) oder als Anteil der beiden Komponenten ''parallel'' bzw. ''senkrecht''. Für elektromagnetische Wellen siehe das folgende Kapitel.
* '''zirkulare Polarisation''': (im 19.&nbsp;Jahrhundert als ''drehende Polarisation'' bezeichnet) Der Betrag der Auslenkung ist (abgesehen von [[Modulation (Technik)|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).<ref>{{Literatur |Autor=[[Wilhelm H. Westphal (Physiker)|Wilhelm H. Westphal]] |Titel=Physik - Ein Lehrbuch |Auflage=25 |Verlag=Springer |Datum=1970 |Seiten=525}}</ref><ref>Ebenso in {{Literatur
 |Autor=[[Rudolf Gross (Physiker)|Rudolf Gross]] |Titel=Polarisation des Lichts |Sammelwerk= Physik III Optik und Quantenphänomene (Vorlesungsskript zur Vorlesung im WS 2003/2004) |Seiten =76–120
 |Online=https://www.wmi.badw.de/fileadmin/WMI/Lecturenotes/Physics_3/Gross_Physik_III_Kap_3.pdf |Abruf=2024-06-15}}{{Webarchiv|url=https://www.wmi.badw.de/teaching/Lecturenotes/Physik3/Gross_Physik_III_Kap_3.pdf |wayback=20190123010545 |text=pdf }}, 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).</ref> Abkürzungen: ''RHCP'' und ''LHCP'' für rechts- oder linkshändige Polarisation (eng. {{lang|en|''Right Hand Circular Polarization''}} und {{lang|en|''Left Hand Circular Polarization''}}).
* '''elliptische Polarisation''': Ist die Mischform der beiden oben genannten und bei der die Auslenkung eine Ellipse beschreibt.

<gallery>
Polarisation state - Linear polarization parallel to x axis.svg| linear zur x-Achse
Polarisation state - Linear polarization parallel to y axis.svg|linear in y-Richtung
Polarisation state - Linear polarization oriented at +45deg.svg|linear in +45°-Richtung
Polarisation state - Left-circular polarization.svg|links zirkular
Polarisation state - Right-circular polarization.svg |rechts zirkular
Polelliptisch.svg|Elliptische Polarisation
</gallery>
== Mathematische Beschreibung ==
<gallery widths="120" heights="250" class="float-right" perrow="3" caption="Zusammensetzung einer linear, zirkular bzw. elliptisch polarisierten Welle (schwarz) aus linear polarisierten Komponenten (rot und blau)">
  Polarisation (Linear).svg
  Polarisation (Circular).svg
  Polarisation (Elliptical).svg
</gallery>

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 (<math>A</math>) und Phase (<math>\omega t</math>) beachtet werden müssen, dienen als Skalarfaktoren komplexe Zahlen (<math>A\,e^{-i\omega t}</math>): 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 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.

[[Photon]]en sind [[Bosonen]] und können [[Spin]]komponenten +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 ist stets das Amplitudenverhältnis und die [[Phase (Schwingung)|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 verschwindender [[Phasenverschiebung|Phasendifferenz]] (oder einer Phasendifferenz, die einem Vielfachen von <math>\pi</math> entspricht) und unterschiedlicher oder gleicher Amplitude ist die resultierende Polarisation linear und die Richtung hängt vom Amplitudenverhältnis ab.
#* Bei einem Phasenunterschied von <math>\pi/2</math> und gleichen Amplituden ist die Ausgangspolarisation 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 [[Reelle Zahlen|reellwertiger]] [[Stokes-Vektor]] oder als zweidimensionaler [[Komplexe Zahlen|komplexwertiger]] [[Jones-Formalismus|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.<ref> Lexikon der Optik: [https://www.spektrum.de/lexikon/optik/kohaerenzmatrix/1594 ''Kohärenzmatrix'']</ref> Die Beschreibung der Wirkung eines polarisationsverändernden optischen Elementes bei [[Optische Aktivität|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 ===
{{Siehe auch|Polarisationsfilter}}
Die auf der Erde und im Universum überwiegend beobachtete Ausprägung elektromagnetischer Strahlung ist [[Wärmestrahlung|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 unterschiedlichster Lage von Schwingungsebene und relativer Phase. Durch [[Reflexion (Physik)|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.&nbsp;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 [[Polarisation (Elektrizität)|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. <!-- hier noch Depolarisation durch Streuung an ungeordneten Strukturen ergänzen -->

=== Wahrnehmung von polarisiertem Licht ===
Viele [[Insekten]] können linear polarisiertes Licht nach seiner Polarisationsrichtung unterscheiden und nutzen diesen Effekt, um sich zu orientieren. Bei der [[Westliche Honigbiene|Honigbiene]] wurde dies durch [[Karl von Frisch]] erforscht.

Auch [[Fangschreckenkrebs]]e,<ref>[https://www.fangschreckenkrebse.de/wissenswertes/augen/index.html www.fangschreckenkrebse.de].</ref> die [[Wasserwanze]] ''[[Notonecta glauca]]'', [[Großes Mausohr|Große Mausohren]] (''Myotis myotis'')<ref> Stefan Greif, Ivailo Borissov, Yossi Yovel und Richard A. Holland: ''A functional role of the sky’s polarization pattern for orientation in the greater mouse-eared bat.'' In: ''Nature Communications.'' Band 5, Artikel-Nr. 4488, 2014, [[doi:10.1038/ncomms5488]].</ref> und [[Cataglyphis|Wüstenameisen]]<ref>Karl Fent: ''Polarized skylight orientation in the desert ant Cataglyphis.'' In: ''Journal of Comparative Physiology A.'' Band 158, Nr. 2, 1986, S. 145–150, [[doi:10.1007/BF01338557]].</ref><ref>[[Rüdiger Wehner]]: ''Polarization vision – a uniform sensory capacity?'' In: ''[[Journal of Experimental Biology]]'' Band 204, 2001, S. 2589–2596, PMID 11511675.[https://journals.biologists.com/jeb/article/204/14/2589/32978/ Online]</ref> sind dazu in der Lage, sowie Menschen, allerdings mit sehr geringem Kontrast ([[Haidinger-Büschel]]-Phänomen). Dass Insekten zur Orientierung nicht nur polarisiertes Sonnenlicht nutzen können, sondern auch Mondlicht, wurde bei Experimenten mit [[Bulldoggenameisen]] der Art ''[[Myrmecia]] midas'' nachgewiesen.<ref>Cody A Freas, Ajay Narendra, Trevor Murray, Ken Cheng (2024): ''Polarised Moonlight Guides Nocturnal Bull Ants Home''. eLife 13: RP97615 {{DOI|10.7554/eLife.97615.1}}</ref>

=== Bezeichnungen der Untergruppen der Polarisationsarten ===

[[Datei:Polarisation p.png|miniatur|hochkant=1.5|Bezeichnung der Richtung linearer Polarisation elektromagnetischer Wellen bei Vorgängen mit Richtungsänderung des Lichtstrahls (hier Reflexion an einem Spiegel): ''Parallele Polarisation'' bedeutet, dass die elektrische Komponente in der Einfallsebene schwingt.]]
[[Elektromagnetische Strahlung]] ([[Licht]], [[Radiowelle]]n usw.) ist eine Transversalwelle mit jeweils rechten Winkeln zwischen dem Wellenvektor <math>\vec k</math>, der in Ausbreitungsrichtung zeigt, und den Vektoren des elektrischen und magnetischen Feldes, <math>\vec E</math> bzw. <math>\vec B</math>. Es ist willkürlich, ob als Polarisationsrichtung die Schwingungsrichtung des elektrischen oder des magnetischen Feldes gewählt wird. Allerdings bedeuten <math>\vec E</math> und <math>\vec B</math> für die Welle verschiedene Schwingungsrichtungen. Diese stehen aufeinander senkrecht. Aus der Zeit, als Licht noch als mechanische Schwingung des hypothetischen Äthers erklärt wurde, stammt eine Festlegung für die Bezeichnungen der beiden Polarisationsrichtungen, die sich später als die Schwingungsrichtung des magnetischen Feldvektors herausstellte.<ref>[[Eduard von Hartmann]]: ''Die Weltanschauung der Modernen Physik.'' Hermann Haacke Verlagsbuchhandlung, Leipzig, 1902 ({{Google Buch|BuchID=cWdkR6tMvOIC|Seite=131}}).</ref> Da die meisten Wechselwirkungen elektromagnetischer Strahlung mit Materie allerdings elektrischer Natur sind, wird die Polarisationsrichtung heute meist auf den elektrischen Feldvektor bezogen<!-- z. B. Bergmann-Schaefer -->.

Wenn die Welle gebrochen, reflektiert oder gestreut wird, ist die Bezugsebene für die Bezeichnungen ''parallel'' und ''senkrecht'' jene Ebene, in der die ein- und die auslaufende Welle liegen.

Neben ''parallel'' und ''senkrecht'' polarisierten Wellen werden unter anderem bei der Beschreibung der Reflexion weitere Bezeichnungen genutzt. So spricht man von ''TM-polarisiertem'' Licht, wenn die Richtung des magnetischen Feldes senkrecht zu der durch Einfallsvektor und Flächennormale aufgespannten Ebene („[[Einfallsebene]]“) liegt (TM = transversal magnetisch; man spricht hierbei auch von ''parallel-'', ''p-'' oder ''π-polarisiertem Licht'', da das bei isotropen Materialien zum Magnetfeld senkrechte elektrische Feld in der Einfallsebene liegt), und von ''TE-polarisiertem'' Licht, wenn das elektrische Feld senkrecht auf der Einfallsebene steht (TE = transversal elektrisch; man spricht hierbei auch von ''senkrecht-'', ''s-'' oder ''σ-polarisiertem Licht'').<ref>[https://ibsen.com/technology/polarization-definitions/ Polarization definitions, Ibsen Photonics]</ref> In Richtung des [[Brewster-Winkel]]s wird TM-polarisiertes Licht verstärkt in das Medium gebrochen anstatt reflektiert, das heißt, auch für unpolarisiertes einfallendes Licht ist das beim Brewster-Winkel ausfallende Licht immer TE-polarisiert. Beide Begriffe sind nur im Zusammenhang mit der reflektierenden Fläche definiert.

Bei zirkular oder elliptisch polarisiertem Licht unterscheidet man hinsichtlich der Drehrichtung des E- oder H-Vektors im Bezug auf die Ausbreitungsrichtung. Man spricht hier von links- oder rechtsdrehendem polarisiertem Licht (für die Bezeichnungskonventionen siehe oben).
[[Datei:Sigmaplusminus.svg|mini|hochkant=1.5|Veranschaulichung von <math>\sigma^+</math>-, <math>\sigma^-</math>- und <math>\pi</math>-Polarisation anhand eines atomaren Übergangs, wie es in der Laserspektroskopie verwendet wird]]

In der [[Laserspektroskopie]] wird die zirkuläre Polarisation anstelle von ''rechts'' und ''links'' in <math>\sigma^+</math> („Sigma-Plus“) und <math>\sigma^-</math> („Sigma-Minus“) aufgeteilt, die bei atomaren Übergängen zwischen [[Energieniveau]]s eine Änderung der magnetischen [[Quantenzahl]] <math>m</math> von +1 bzw. −1 bewirkt. Linear polarisiertes Licht (<math>\Delta m = 0</math> beim atomaren Übergang) wird als <math>\pi</math>-polarisiertes Licht bezeichnet. Vorteil dieser Angabe ist die Unabhängigkeit vom Koordinatensystem (''rechts'' und ''links''); stattdessen bezieht sich die Angabe auf die gewählte Quantisierungsachse des Atoms.

=== Funkwellen ===
[[Funkwellen]] für den [[Rundfunk]] sind ''horizontal'' oder ''vertikal'' polarisiert, wobei stets der ''elektrische'' Feldvektor ausschlaggebend ist. Vertikale Polarisation und Rundstrahlcharakteristik ohne Auslöschungen ist mit einer einzelnen vertikalen Stab- oder Mastantenne ([[Antenne#Viertelwellenstrahler|Viertelwellendipol]]) zu erzielen. Beispiele sind Lang- und Mittelwellensender sowie mobile Anwendungen (Seefahrt, Luftfahrt, Polizei und Militär).

Punkt-zu-Punkt-Datenverbindungen und auch die [[Satellitenkommunikation]] verwenden oft Zirkularpolarisation, wobei der Drehsinn von Sendeantenne und Empfangsantenne übereinstimmen muss. Zirkularpolarisation ist nicht anfällig gegenüber polarisationsdrehenden Störungen beim Durchgang durch die [[Ionosphäre]] und spart eine Ausrichtungskoordinate bei an [[Raumfahrzeug]]en installierten Richtantennen.

Waagerechte lineare Polarisation wird im [[Ultrakurzwelle|VHF]]- und [[Dezimeterwelle|UHF]]-Bereich genutzt und ist weniger anfällig gegen Reflexionen an (meist senkrechten) Metallmasten und damit verbundenem [[Mehrwegeempfang]] ([[Geisterbild]]er beim analogen Fernsehrundfunk). Weitverbindungen auf [[Kurzwelle]] erzielen hingegen mit waagerechter Polarisation eine bessere Reflexion an der Ionosphäre.

== Erzeugung von polarisiertem Licht ==
Licht von natürlichen Lichtquellen ist in der Regel nicht polarisiert.
Polarisation kann durch Reflexion des Lichtes an Oberflächen oder durch Brechung an speziellen Materialien erfolgen oder auch durch Polarisationsfilter und Polarisationsfolien erreicht werden.
=== Polarisation durch Reflexion ===
Vollständige Polarisation durch Reflexion tritt nur unter bestimmten Bedingungen auf, die erstmals von dem schottischen Physiker David Brewster im Brewstersches Gesetz formuliert wurden.
Das reflektierte Licht an der Grenzfläche zweier Medien ist dann linear polarisiert, wenn der Winkel zwischen reflektiertem und gebrochenem Strahl genau 90° beträgt. Der elektrische Feldvektor des reflektierten polarisierten Lichtes schwingt dann senkrecht zur  Einfallsebene. Auch das Licht, das in das andere Medium 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.

=== Polarisation durch Brechung ===
Licht, das durch bestimmte Kristalle hindurchtritt, wird durch Brechung linear polarisiert. Zu solchen Kristallen zählen [[Kalkspat]], [[Turmalin]], [[Quarz]] oder Glimmer, die sich durch [[Doppelbrechung]] auszeichnen, bei der das Licht an einem Kristall je nach seiner Schwingungsrichtung in unterschiedlicher Weise gebrochen wird. Die unterschiedlich gebrochenen Strahlen sind jeweils linear polarisiert. So ist z.&nbsp;B. bei Kalkspat der [[Doppelbrechung#Ordentlicher und außerordentlicher Strahl|ordentliche Strahl]] senkrecht zur Einfallsebene linear polarisiert, der außerordentliche Strahl senkrecht dazu. Die Kristalle verhalten sich optisch anisotrop, haben also in den verschiedenen Richtungen unterschiedliche optische Eigenschaften.

=== Polarisation durch Polarisationsfilter oder Polarisationsfolien ===
Bei vielen Anwendungen verwendet man heute zur Erzeugung von polarisiertem Licht [[Polarisationsfilter]] oder Polarisationsfolien. Dabei wird genutzt, dass in den betreffenden Materialien [[Kohlenstoffkette]]n ähnlich wie Gitterstäbe linienförmig und parallel zueinander angeordnet sind. Diese Kohlenstoffketten bewirken eine lineare Polarisierung des durchgehenden Lichtes. Statt der Kohlenstoffketten verwendet man bei Polarisationsfolien Kunststofffolien mit parallel zueinander angeordneten nadelförmigen [[Herapathit]]-Kristallen.
 	
Ein idealer Polarisationsfilter lässt nur die Komponente des Lichtes passieren, die parallel zur sogenannten optischen Achse des Filters schwingt. Die andere, dazu senkrechte Komponente wird vom Filter absorbiert. Die [[Intensität (Physik)#Intensität in der Radiometrie und Photometrie|Intensität des Lichtes]] nimmt beim Durchgang ab.<ref name = "Leifi-POL">[https://www.leifiphysik.de/optik/polarisation/grundwissen/polarisation-von-licht-einfuehrung ''Polarisation''] In: [[LEIFIphysik]]</ref>

=== Polarisiertes Laserlicht ===
Die [[Laser#Polarisation|Polarisation]] von [[Laser]]strahlen ist aufgrund polarisierender optischer Bauteile im [[Laser#Laserresonator|Resonator]] (schräge Umlenkspiegel und [[Brewster-Fenster]], geringe Höhe des Resonators bei Halbleiterlasern) meistens linear.

== Veränderung der Polarisation ==
Ideale [[Verzögerungsplatte]]n können eine bestehende Polarisation ändern, ohne den Strahl abzuschwächen, abzulenken oder zu versetzen, indem eine Polarisationskomponente in Bezug auf die dazu orthogonale Polarisationsrichtung verzögert wird.<ref name= "edmo" /> Damit lässt sich sowohl die [[Polarisation#Polarisation elektromagnetischer Wellen|Art]] wie die Ebene der Polarisation verändern:
[[Datei:Circular.Polarization.Circularly.Polarized.Light Circular.Polarizer Creating.Left.Handed.Helix.View.svg|mini|creating circular polarization using a quarter-wave plate ]]

* Das [[Verzögerungsplatte#λ/4-Plättchen|λ/4-Plättchen]], auch als ''Zirkularpolarisator'' bezeichnet, kann aus einem linear polarisierter Lichtstrahl einen zirkular oder einen elliptisch polarisierten Strahl erzeugen. Umgekehrt verwandelt ein λ/4-Plättchen zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht.<ref>{{Literatur |Titel=Phasenplättchen|Hrsg=Ulrich Kilian u. Christine Weber|Sammelwerk=Lexikon der Physik |Verlag=Spektrum Akademischer Verlag |Datum=2003 |ISBN=978-3-860-25296-3 |Online=https://www.spektrum.de/lexikon/physik/phasenplaettchen/11125}}</ref>

* Mit einem [[Verzögerungsplatte#λ/2-Plättchen|λ/2-Plättchen]] kann die  Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht erreicht werden.<ref>''Half-Waveplates'' In: [https://www.newport.com/n/introduction-to-waveplates ''Introduction-to waveplates''] MKS Instruments Tutorial </ref>
[[Datei:Waveplate notext.png|mini|300x100px|A wave passing through a half-wave plate]]

=== Drehung der Polarisation durch optische aktive Materialien ===
Optisch aktive Materialien, Flüssigkeiten oder Festkörper, die das Phänomen der [[optische Aktivität|optischen Aktivität]] zeigen, können die Polarisationsrichtung des durchgehenden Lichts drehen.<ref>{{Literatur |Titel=optisch aktive Materialien|Hrsg=Ulrich Kilian u. Christine Weber|Sammelwerk=Lexikon der Physik |Verlag=Spektrum Akademischer Verlag |Datum=2003 |ISBN=978-3-860-25296-3 |Online=https://www.spektrum.de/lexikon/physik/optisch-aktive-materialien/10676}}</ref> Der Grund für die Polarisationsdrehung liegt in der Kristall- oder Molekülstruktur der optisch aktiven Materialien. Man kann sie so verstehen, dass eine linear polarisierte Welle bei Eintritt in das Medium in zwei entgegengesetzt umlaufende, zirkular polarisierte Wellen gespalten wird, die sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzen. Bei Austritt aus dem Medium addieren sich die zirkular polarisierten Wellen wieder zu einer linear polarisierten, die gemäß der Phasenverschiebung um einen [[Optische Aktivität#Spezifischer Drehwinkel|spezifischen Winkel]] gedreht ist.<ref>{{Literatur |Titel=Optische Aktivität|Hrsg=Ulrich Kilian u. Christine Weber|Sammelwerk=Lexikon der Physik |Verlag=Spektrum Akademischer Verlag |Datum=2003 |ISBN=978-3-860-25296-3 |Online=https://www.spektrum.de/lexikon/physik/optische-aktivitaet/10680}}</ref> Neben der natürlichen optischen Aktivität kann eine optische Aktivität auch erst durch äußere Magnetfelder über den [[Faraday-Effekt]] hervorgerufen werden<ref>{{Literatur|Titel=optische Aktivität|Sammelwerk= Lexikon der Optik|Hrsg=Harry Paul|Verlag= Springer Medien | Datum=2003 |ISBN=978-3-827-41422-9  |Online=https://www.spektrum.de/lexikon/optik/optische-aktivitaet/2277}}</ref>, so beim [[Faraday-Rotator]].

Die Polarisationsrichtung von Licht kann sich auch beim Durchgang desselben durch [[Flüssigkristall|flüssigkristalline Stoffe]] ändern. In Flüssigkristallen mit gedreht-nematischer Phase folgt die Schwingungsebene des durchtretenden Lichtes der Orientierung der linear angeordneten Moleküle. Das findet Anwendung in [[Flüssigkristallanzeige|Flüssigkristallanzeigen]], in denen durch eine angelegte elektrische Spannung der Grad der Richtungsänderung des durchtretenden Lichtes geändert wird und sich in einem nachfolgenden Analysator als unterschiedliche Helligkeitswerte manifestiert.

== Anwendungen ==
Bedeutsam sind die Anwendungen der Polarisation in der [[Polarimetrie#Anwendungen|Polarimetrie]] etwa in Pharmazie und in der Zuckerindustrie zur Bestimmung des Zuckergehalts von Lösungen.
Die Implementierung einer Polarisationssteuerung kann in einer Vielzahl von Bildverarbeitungsanwendungen von Nutzen sein. Polarisatoren werden an einer Lichtquelle und/oder einem Objektiv eingesetzt, um Glanzeffekte durch Lichtstreuung zu beseitigen, den Kontrast zu erhöhen und intensive Lichtflecke aus reflektierenden Objekten zu entfernen. Dies bewirkt intensivere Farben oder mehr Kontrast bzw. erleichtert die Erkennung von Oberflächenfehlern oder anderen sonst verborgenen Strukturen.<ref name= "edmo"> {{Literatur| Titel=Polarisationsfilter und Polarisation - die Grundlagen |Abruf=2024-05-31| Online=https://www.edmundoptics.de/knowledge-center/application-notes/optics/introduction-to-polarization }}</ref>

Polarisierte Einzelphotonen können benutzt werden, Quanteninformation zu kodieren und zu übertragen. Ein polarisiertes Photon ist der bestgeeignete Informationsträger für die Freilandübertragung. Polarisierte Photonen können dabei zum [[Quantenschlüsselaustausch]] verwendet werden.<ref>[https://mpl.mpg.de/fileadmin/user_upload/Chekhova_Research_Group/Lecture_4_10.pdf ''Lecture 10: Polarization states''] In: ''Modern Optics 3: Quantum Optics'', (Scripts des [[Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts]] WS 2018 / 2019)
 </ref>

== Literatur ==
* {{Literatur
 |Autor=[[Dieter Meschede]]
 |Titel=Polarisation des Lichts
 |Sammelwerk= [[Gerthsen Physik]] 
 |Auflage=24
 |Verlag= Springer
 | Datum=2010
 |Seiten =560–585
 |ISBN=978-3-642-12894-3
 |Online=https://books.google.de/books?hl=de&id=oP7aW8UT1csC
}}
* {{Literatur
 |Autor=
 |Titel=Polarisation
 |Sammelwerk=  Lexikon der Optik
|Hrsg= [[Harry Paul (Physiker)|Harry Paul]]
 |Verlag= Springer Medien
 | Datum=2003
 |ISBN=978-3-827-41422-9 
 |Online=https://www.spektrum.de/lexikon/optik/polarisation/2616
}}
== Weblinks ==
{{Commonscat|Polarization (waves)|Polarisation|audio=1|video=1}}
* [http://www.physikdidaktik.uni-karlsruhe.de/software/hydrogenlab/elektronium/HTML/galerie_uebergaenge_de.html Polarisation bei atomaren Übergängen]
* [http://www.rfcafe.com/references/articles/Satellite-Comm-Lectures/Satellite-Comms-Polarization.pdf Satelliten-Polarisation] (PDF; 1,4&nbsp;MB)
* {{TIBAV |10902 |Linktext=Polarisiertes Licht |Herausgeber=IWF |Jahr=2004 |DOI=10.3203/IWF/C-14897 }}
* {{Literatur
 | Autor=
 | Titel=Polarisationsfilter und Polarisation - die Grundlagen
 |Abruf=2024-05-31
 | Datum=
 | Online=https://www.edmundoptics.de/knowledge-center/application-notes/optics/introduction-to-polarization 
}}

== Einzelnachweise ==
<references/>

{{Normdaten|TYP=s|GND=4046482-9}}

[[Kategorie:Elektrodynamik]]
[[Kategorie:Wellenlehre]]
[[Kategorie:Wellenoptik]]