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Erschienen in:
Grundbegriffe der Wellenphysik Kapitel lesen Erstes Kapitel lesen

2017 | OriginalPaper | Buchkapitel

9. Polarisiertes Licht

verfasst von : Joachim Heintze, Peter Bock

Erschienen in: Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 4: Wellen und Optik

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

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Zusammenfassung

Transversale Wellen können polarisiert sein, sie sind sogar im Allgemeinen polarisiert. Das haben wir bei den Versuchen mit dem Gummiseil schon zu Beginn von Kap. 1 gesehen. Bisher haben wir die Polarisation des Lichts weitgehend ignoriert; wir wollen nun die damit verbundenen Phänomene genauer untersuchen. Zunächst geht es um die Beschreibung der verschiedenen Polarisationszustände. Im zweiten Abschnitt behandeln wir einige Methoden zur Herstellung und zum Nachweis von linear polarisiertem Licht und im dritten die merkwürdigen Phänomene der Doppelbrechung und deren Anwendungen. Dabei werden wir uns auch genauer mit dem zirkular polarisierten Licht befassen. Als Beispiel beschreiben wir, wie die Polarisation als Hilfsmittel in der hochauflösenden STED-Mikroskopie eingesetzt wird.
Doppelbrechung kann auch durch elektrische oder magnetische Felder hervorgerufen werden. Das wird im letzten Abschnitt behandelt, zusammen mit einigen Anwendungen: Mit Hilfe der induzierten Doppelbrechung lassen sich „Einbahnstraßen“ für Licht und optische Schalter mit sehr kurzen Schaltzeiten realisieren. Weiterhin wird ein Einblick in die nichtlineare Optik gegeben und als Beispiel die für die Lasertechnik wichtige Frequenzverdopplung von Licht behandelt. Auch hier spielen Polarisation und Doppelbrechung eine entscheidende Rolle.

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Fußnoten
1
In der älteren Literatur wird die Richtung von \({}\vec{H}\) als Polarisationsrichtung definiert. Also aufgepasst!
 
2
Ein Polymer ähnlich wie das bekannte Polyvinylchlorid (PVC). An der Stelle des Cl-Ions sitzt jedoch eine OH-Gruppe.
 
3
So benannt von ihrem Erfinder, dem Amerikaner Edwin H. Land (1909–1991). Die bekannte Polaroid-Sofortbild-Kamera hat mit der Polarisationsfolie nur gemein, dass sie ebenfalls von Land erfunden wurde und in der von Land gegründeten Polaroid-Corporationhergestellt wird.
 
4
Diese Tatsache und die Polarisation des Lichts wurden von Etienne-Louis Malus (1775–1812) entdeckt, einem französischen Militär-Ingenieur, der sich in seinen Mußestunden mit optischen Studien beschäftigte. Eines Abends betrachtete er durch einen Kalkspat-Kristall das seiner Wohnung gegenüber liegende Palais du Luxembourg und freute sich an dem vertrauten Doppelbild. Plötzlich merkte er, dass bei gewissen Stellungen des Kristalls mal im einen, mal im anderen Bild der Reflex der tiefstehenden Sonne an den Fenstern des Palais verschwand. Noch in derselben Nacht hat er mit einer Kerze, einer Glasscheibe und seinem isländischen Kristall die Polarisation des Lichts, den Brewster-Winkel und das Malussche Gesetz (9.14) entdeckt. Das war 1808, sieben Jahre vor Brewster. Warum der Winkel nicht Malus-Winkel heißt, weiß ich auch nicht.
 
5
Die nun folgende Erklärung für das Zustandekommen der Doppelbrechung gab Huygens in seinem epochalen Werk „Traité de la lumière“, das 1690 mit dem Untertitel „où sont expliquées les causes de ce qui arrive dans la réflexion et dans la réfraction et particulièrement dans l’étrange réfraction du cristal d’Islande“ erschien. Huygens hatte nicht die Vorstellung von transversalen Wellen und wusste nichts von der Polarisation des Lichts. Umso mehr ist die Genialität von Huygens Hypothese zu bewundern.
 
6
Es ist bemerkenswert, dass die nun folgende Theorie im wesentlichen bereits von Fresnel stammt. Fresnel behandelte dabei das Licht als elastische Welle im „Äther“. Die Überarbeitung von Fresnels Theorie mit der Maxwellschen Elektrodynamik ist der Inhalt der Doktorarbeit von H. A. Lorentz (1875). Erst durch diese Arbeit wurde die Optik ein Bestandteil der Elektrodynamik.
 
7
Diese Rechnung wird Schritt für Schritt vorgeführt in A. Sommerfeld, „Vorlesungen über theoretische Physik“, Band IV (Optik), § 24–§ 28 (Dietrische Verlagsbuchhandlung (1950) und Harri Deutsch-Verlag (1988 u. 2001)); siehe auch Max Born, „Optik“, § 58–§ 62 (Springer-Verlag, 1932 u. 1986), S. L. Chin, „Fundamentals of Laser Optoelectronics“, Kap. VI (World Scientific, 1989) sowie A. Yariv u. P. Yeh, „Optical Waves in Crystals“, Kap. 4 (J. Wiley & Sons, 1984).
 
8
Eine praktische Anwendung finden diese Farben z. B. in der Mineralogie bei der Untersuchung von Dünnschliffen aus polykristallinem Material (Polarisationsmikroskopie). Die fantasievollen Farbbezeichnungen stammen von G. Quincke (1834–1924), der das Phänomen gründlich untersuchte (Poggendorfs Annalen 129, 180 (1869)).
 
9
Das STED-Verfahren wurde von Stefan Hell entwickelt, der dafür im Jahre 2014, zusammen mit Eric Betzig und William Moerner, den Nobelpreis für Chemie(!) erhielt.
 
10
Die ersten Mikroskope dieser Art verwendeten lineare Polarisation in Verbindung mit „Phasenschnecken“, die die Ebene einer linearen Polarisation, abhängig von der Position eines Lichtstrahls parallel zur Achse der Schnecke, von 0° bis 360° drehten.
 
11
Diese fundamentale Entdeckung machte Louis Pasteur (1822–1895) während seiner Doktorarbeit. Er hatte aus einer Lösung einer synthetisch hergestellten, daher nicht aktiven organischen Substanz Kriställchen ausgefällt und bemerkt, dass es im Niederschlag zwei geringfügig verschiedene Kristallformen gab, die sich zueinander wie Bild und Spiegelbild verhielten. In mühsamer Kleinarbeit trennte er unter dem Mikroskop die beiden Sorten, löste sie getrennt wieder auf, und siehe da: Die eine Sorte war linksdrehend, die andere rechtsdrehend optisch aktiv. Dies erschien damals als so sensationell, dass Pasteur sein Experiment vor den Augen des Akademie-Präsidenten Biot wiederholen musste. Man war wohl der Meinung, dass die optische Aktivität der biogenen Substanzen etwas mit dem „Leben“ zu tun hätte und daher nicht „künstlich“ erzeugt werden könnte.
 
12
Zum Vergleich: Eine Schraube sieht, von jedem Ende aus betrachtet, gleich aus, Rechtsgewinde bleibt Rechtsgewinde. Das ist die Situation bei der gewöhnlichen optischen Aktivität. Die Zeiger einer Uhr dagegen bewegen sich von vorn betrachtet rechts herum, von hinten betrachtet aber links herum. Das ist die Situation beim Faraday-Effekt.
 
13
Friedrich Pockels (1865–1913) war an der Universität Heidelberg tätig, und zwar als „planmäßiger außerordentlicher Professor für Theoretische Physik“, d. h. er bekam ein geringeres Gehalt als der ordentliche Professor für Physik und hatte kein eigenes Labor. Derartige Stellen wurden damals auch an anderen Universitäten eingerichtet. Der Begriff „Theoretische Physik“ und die Einrichtung von Professuren für dieses Fach entstanden also aus fiskalischer Sparsamkeit. – Von Pockels stammt auch ein Lehrbuch der Kristalloptik, das jahrzehntelang ein Standardwerk auf diesem Gebiet war.
 
14
Es ist nicht schwer, dies einzusehen. Beim KDP sind aufgrund der Kristallsymmetrie alle \(\chi^{\prime}_{ikl}=0\), außer \(\chi^{\prime}_{xyz}=\chi^{\prime}_{xzy}=d_{14}\), \(\chi^{\prime}_{yxz}=\chi^{\prime}_{yzx}=d_{25}\) und \(\chi^{\prime}_{zxy}=\chi^{\prime}_{zyx}=d_{36}\). (Es ist üblich, die \(\chi^{\prime}_{ikl}\) wie hier angegeben zu bezeichnen.) Für den zu \(\cos 2\omega t\) proportionalen Anteil der Polarisation erhält man dann mit (9.52)
$$P_{x}=2d_{14}E_{z}E_{y}\;,\quad P_{y}=2d_{25}E_{z}E_{x}\;,\quad P_{z}=2d_{36}E_{x}E_{y}\;.$$
Wenn der \({}\vec{E}\)-Vektor der einlaufenden Welle senkrecht zur optischen Achse schwingt, ist die Komponente \(E_{z}=0\) und \(E_{x}=-E_{y}\neq 0\). Dann bleibt nur noch P z übrig: In der frequenzverdoppelten Welle schwingen die Vektoren \({}\vec{E}\) und \({}\vec{D}\) in einer Ebene, die die optische Achse enthält, sie bildet also einen ao-Strahl (vgl. Abb. 9.15a). Eine Erklärung der Notation und ausführliche Tabellen der elektrooptischen Koeffizienten findet man z. B. bei A. Yarif u. P. Yeh, „Optical Waves in Crystals“, Kap. 12, J. Wiley & Sons (1984).
 
15
Zur Erklärung dieses Phänomens denken wir uns die Flüssigkeit zwischen den Glasplatten in dünne Schichten unterteilt, z. B. in 90 Schichten, deren optische Achsen jeweils um 1° gegenüber der vorhergehenden Schicht verdreht sind. Wie Abb. 9.5 zeigte, ist die Komponente des \({}\vec{E}\)-Vektors parallel zur optischen Achse hinter der ersten um 1° verdrehten Schicht \(E_{\parallel}^{(1)}=E_{\parallel}^{(0)}\cos{1^{\circ}}\), hinter der zweiten \(E_{\parallel}^{(2)}=E_{\parallel}^{(0)}(\cos{1^{\circ}})^{2}\) und hinter der 90. Schicht \(E_{\parallel}^{(90)}=E_{\parallel}^{(0)}(\cos{1^{\circ}})^{90}=0{,}986E_{\parallel}^{(0)}\). Damit das so funktioniert, muss der Abstand zwischen den Glasplatten \(d\gg\lambda/(n_{\mathrm{ao}}-n_{\mathrm{o}})\) sein.
 
Metadaten
Titel
Polarisiertes Licht
verfasst von
Joachim Heintze
Peter Bock
Copyright-Jahr
2017
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Buch
Lehrbuch zur Experimentalphysik Band 4: Wellen und Optik

Print ISBN: 978-3-662-54491-4

Electronic ISBN: 978-3-662-54492-1

Copyright-Jahr: 2017

DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-54492-1_9

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    Bildnachweise