Polarisator

Polarisationsapparat nach Nörrenberg für den Physikunterricht

Ein Polarisator ist ein Bauteil, um elektromagnetische Wellen (häufig Licht) mit einer definierten, meist linearen Polarisation herzustellen.

Erzeugung von Linearpolarisation

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

Polarisation durch Dichroismus

Prinzip eines Polarisationsfilters am Beispiel des Drahtgitterpolarisators. Eine Welle mit horizontaler und vertikaler Komponente (dargestellt ist das elektrische Feld) fällt von hinten links auf eine Fläche aus Drähten. Die elektrische Leitfähigkeit der Fläche ist hoch in horizontaler Richtung, weshalb die horizontale Komponente der Welle wie an einem metallischen Spiegel reflektiert wird (nicht gezeigt). Quer zu den Drähten kann kein Strom fließen, weshalb die vertikale Komponente der Welle die Drähte nicht „sieht“ und sich ungehindert ausbreitet.

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 diachroitischen Herapathit-Kristalliten auf einer Folie, der sogenannten J-Folie (engl. J-sheet, ca. 1930).

Aber auch ohne diachroitische Kristalle lassen sich ähnlich wirkende Polarisatoren herstellen. Eine einfache Form eines solchen Polarisators ist der Drahtgitterpolarisator, mit einem Gitter aus parallelen, leitfähigen Drähten. Bei ihm wird die Polarisationskomponente parallel zu den leitfähigen Drähten „absorbiert“ (genauer relektiert bzw. reemittiert). Im Gegensatz dazu wird die andere Komponente durch das Gitter nur wenig verändert und kann das Gitter nahezu ungestört durchdringen.

Nach einem ganz ähnlichen Prinzip funktioniert die sogenannte H-Folie (H-sheet, Edwin Herbert Land, 1938). Sie besteht aus einer farblosen Polyvinylalkohol-Folie (PVA) mit eingelagerten Jodkristalliten. Eine gerichtete Polarisation erreichte Land, indem er die PVA-Folie zunächst erhitzte und in eine bestimmte Richtung streckte („reckte“). Hierdurch wurden die langkettigen Kohlenwasserstoffmoleküle ausrichtet. Beim anschließenden Einbringen der Jodkristallite lagerten sich diese an die PVA-Moleküle und bildeten ihrerseits lange leitfähige Ketten, die wie das metallische Gitter bei einem Drahtgitterpolarisator wirken. 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^[1]
  • Glan-Foucault-Prisma
  • Lippich-Prisma^[1] (nach F. Lippich)
    • Glan-Taylor-Prisma^[1]
    • Marple-Hess-Prisma^[1]
  • Frank-Ritter-Prisma^[1]

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.

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′.^[2]

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.^[3] 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 9780071498890, S. 13.1ff (umfangreiche Zusammenstellung zu allen möglichen polarisierenden Prismen).
• Hans Dodel, Sabrina Eberle: Satellitenkommunikation. 2. Auflage. Springer-Verlag, Berlin 2007, ISBN 3540295755.

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

1. ↑ ^{a b c d e} Michael Bass, Casimer Decusatis, Vasudevan Lakshminarayanan, Guifang Li, Carolyn MacDonald, Virendra Mahajan, Eric Van Stryland: Handbook of Optics, Volume I. 3 Auflage. McGraw Hill Professional, 2009, ISBN 9780071498890, S. 13.8ff.
2. ↑ Ludwig Bergmann, Heinz Niedrig, Clemens Schaefer (Hrsg.): Lehrbuch der Experimentalphysik: Optik : Wellen- und Teilchenoptik. Walter de Gruyter, 2004, ISBN 9783110170818, S. 508.
3. ↑ Datenblatt zum Glan-Taylor-Polarisator als variabler Abschwächer