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Tutorial MenueWellenoptikLerneinheit 17 von 23

Wellenplatten und elliptische Polarisation, Spannungsdoppelbrechung

Elliptisch polarisiertes Licht

Elliptisch polarisiertes Licht - was ist das?

Arbeitsauftrag

Betrachten Sie zum Einstieg bitte das folgende Video. In diesem wird zunächst eine spezielle Plastikfolie zwischen zwei gekreuzte Polarisationsfolien gelegt. Anschließend wird einer der Polarisatoren über der Folie gedreht. Warum ist das dabei Beobachtete überraschend?

Abb.1

Beim Einbringen der Plastikfolie hellt sich dort der Bereich zwischen den gekreuzten Polarisatoren auf!

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Versuchbeobachtung: Beim Einbringen der Plastikfolie hellt sich dort der Bereich zwischen den gekreuzten Polarisatoren auf!

Diese Beobachtung könnten wir uns noch damit erklären, dass es sich bei der Plastikfolie ebenfalls um einen Linearpolarisator handelt. Aber in diesem Fall dürfte beim Drehen des Polarisators über der Folie keine gleich bleibende Helligkeit zu beobachten sein - es müsste eine Kreuzstellung zwischen Transmissionsachse der Plastikfolie und der des Polarisators auffindbar sein. Da dies nicht der Fall ist, kann die Plastikfolie somit kein Linearpolarisator sein.

Aber wie lässt sich diese Beobachtung dann erklären?

Die Antwort darauf liegt im Vorhandensein weiterer Polarisationszustände des Lichts. Bisher kennen wir zwei mögliche Polarisationszustände von Licht, nämlich linear polarisiert und unpolarisiert. In diesem Abschnitt werden wir elliptisch (Sonderfall: zirkular) polarisiertes Licht kennen lernen und mit diesem Konzept die gerade im Video gemachte Beobachtung leicht erklären können.

Zunächst haben wir zu klären, was elliptisch polarisiertes Licht überhaupt ist. Das Wissen darüber erarbeiten Sie sich bitte selbstständig mit Hilfe des folgenden JPAKMA-Projekts "Elliptische Polarisation".

Arbeitsauftrag

Im folgenden JPAKMA-Projekt "Elliptische Polarisation" sehen Sie eine durch Überlagerung zweier senkrecht zueinander linear polarisierter Wellen (auch P-Zustände genannt) entstehende Welle. Deren E-Feld wird durch den blauen Vektor repräsentiert. Das Amplitudenverhältnis E x E y der beiden Ausgangswellen können Sie mit Hilfe der entsprechenden Schieber ändern. Zusätzlich dazu haben Sie die Möglichkeit, die Phasenverschiebung Δ ϕ zwischen den beiden Wellen zu ändern.

Um sich den konkreten Überlagerungsvorgang zu jedem Zeitpunkt räumlich zu veranschaulichen, können Sie jederzeit die Option "Zusammensetzung zeigen!" anhaken.Ebenso gibt es die Möglichkeit, die resultierende Welle räumlich darstellen zu lassen, indem sie einen Haken bei "resultierende räuml. Welle" setzen. Hierbei sollten Sie schrittweise vorgehen und nicht gleich zu Beginn alle Darstellungsmöglichkeiten auf einmal aktivieren, da sonst der Überblick leicht verloren gehen kann.

Starten Sie nun das Projekt. Bearbeiten Sie bitte schriftlich die folgenden Aufgaben :

  • Lassen Sie die im Projekt voreingestellten Startwerte für diese erste Aufgabe unverändert. Was könnte mit dem Begriff "elliptisch polarisierte Welle" gemeint sein? Machen Sie sich die Entstehung der resultierenden Welle als Überlagerung der beiden einzelnen, zueinander senkrecht linear polarisierten Wellen klar. Benutzen Sie dazu als Hilfe die "Zusammenstellung zeigen!"- Option.
  • Welche Veränderungen beobachten Sie an der resultierenden Welle, wenn die Phasenverschiebung von 90° auf 270° erhöht wird?
  • Stellen Sie nun ein Amplitudenverhältnis von E x E y = 1 1 ein. Was passiert in diesem Fall?
  • Setzen Sie nun bei gleich bleibendem Amplitudenverhältnis (1:1) die Phasenverschiebung auf zunächst 0°. Was beobachten Sie? Finden Sie einen weiteren Wert für die Phasenverschiebung, bei dem ein nahezu identisches Ergebnis festzustellen ist.
  • Ändern Sie anschließend bei einer Phasenverschiebung von 0° das Amplitudenverhältnis beliebig. Was geschieht in diesem Fall mit der resultierenden Welle?
  • Wählen Sie nun beliebige Amplitudenverhältnisse und beliebige Phasenverschiebungen. Erforschen Sie die Eigenschaften der sich ergebenden Welle in Abhängigkeit verschiedenster Parametereinstellungen. Treffen Sie dazu Vorhersagen und verifizieren Sie diese anschließend, so lange, bis Sie Sicherheit in ihren Vorhersagen erlangen.

Nach Bearbeiten des Arbeitsauftrags können Sie sich wie gewohnt zum Vergleich mit Ihren Antworten eine Zusammenfassung anzeigen lassen, indem Sie auf "Lösung zeigen" klicken.

Abb.2
JPAKMA-Animation "Elliptische, zirkulare, lineare Polarisation von Licht"

Mit den voreingestellten Startwerten ist zu beobachten, dass der E-Feldvektor der resultierenden Welle auf einer Ellipsenbahn schwingt. Klar, dass man diesen Polarisationszustand als elliptische Polarisation bezeichnet. Ändert sich die Phasenverschiebung von 90° auf 270°, so ist zu beobachten, dass sich der Umlaufsinn des blauen Vektors umkehrt. Ob er im oder gegen den Uhrzeigersinn umläuft, kann man also durch die Phasenverschiebung zwischen den beiden Ausgangswellen beeinflussen. Charakterisieren können wir diese Eigenschaft durch den Zusatz rechts- bzw. links-elliptische Polarisation. Wird ein Amplitudenverhältnis von 1:1 eingestellt, so erhalten wir den ersten Spezialfall elliptisch polarisierten Lichtes. Der blaue Vektor läuft auf einer Kreisbahn. Hierbei sprechen wir von zirkularer Polarisation. Bei einer Phasenverschiebung von 0° beobachten wir einen weiteren Spezialfall elliptischer Polarisation: Die uns bereits vertraute lineare Polarisation. Der in der Aufgabenstellung verlangte weitere Wert für den Phasenunterschied bei gleichen Amplituden beträgt 180°. Die Ebene des so entstehenden linear polarisierten Lichtes steht nun senkrecht auf der zu einem Phasenunterschied von 0° zugehörigen. Wird im Folgenden das Amplitudenverhältnis der beiden Ausgangswellen beliebig geändert, so beobachten wir eine Änderung der räumlichen Lage der Polarisationsebene des entstehenden linear polarisierten Lichtes.Für die meisten Parametereinstellungen ergibt sich der allgemeine Fall einer elliptisch polarisierten Welle, deren Hauptachse beliebig in der Ebene ausgerichtet sein kann. Wir erkennen auch, dass schmale Ellipsen nahe an linear polarisierte Zustände herankommen.

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Hinweis
Ob man sich eine elliptisch polarisierte Welle in zwei senkrecht zueinander polarisierte Wellen zerlegbar vorstellt oder sie als aus zwei solchen zusammengesetzt betrachtet, ist natürlich äquivalent und kommt auf den jeweiligen Kontext an.
Elliptisch polarisiertes Licht
Licht, dessen E-Feldvektor auf einer elliptischen Bahn schwingt, nennt man elliptisch polarisiert. Je nach Umlaufsinn spricht man von rechts- bzw. links-elliptischer Polarisation.

Spezialfälle elliptischer Polarisation sind die zirkulare Polarisation und die schon bekannte lineare Polarisation. Bei zirkular polarisiertem Licht unterscheidet man natürlich auch wieder zwischen rechts- und linkszirkularen Polarisationszuständen.

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