Polarisation von Licht

Interferenz bewies, dass Licht eine Welle ist; Polarisation verrät ihre Bauart. Licht ist eine Querwelle: Das elektrische Feld schwingt senkrecht zur Laufrichtung, in irgendeiner Richtung quer dazu. Ein Polarisationsfilter lässt nur eine Schwingungsrichtung passieren, zwei gekreuzte Filter sperren alles. Und weil auch Reflexion an Wasser und Glas bevorzugt eine Schwingungsrichtung übrig lässt, steckt Polarisation voller Alltagsanwendungen.

Längswellen (wie Schall) kann man nicht polarisieren. Der Versuch entscheidet also eine Strukturfrage über das Licht, die selbst der Doppelspalt offenlässt: quer, nicht längs. Praktisch erklärt er drei Alltagstechniken auf einen Schlag: den LCD-Bildschirm (zwei Filter mit steuerbarem Dreher dazwischen), die Polbrille des Anglers und den Polfilter des Fotografen.

Entdeckt wurde Polarisation 1808 von Malus, durch einen Kalkspat-Blick auf spiegelnde Fensterscheiben des Palais du Luxembourg. Sie zwang die Physik, Licht als Querwelle zu akzeptieren, was erst Maxwells elektromagnetische Theorie erklärte. Edwin Land machte 1929 aus teuren Kristallen die billige Polaroid-Folie: der Schritt von der Kuriosität zur Bildschirmtechnik in jeder Hosentasche.

Stufe 1: LED-Licht durch einen einzelnen Filter (drehen!). Stufe 2: Filterpaar, φ von 0° bis 90° in 15°-Schritten. Stufe 3: LCD durch einen Filter, Reflexion auf Wasser durch einen Filter. Stufe 4: dritter Filter bei 45° zwischen das gekreuzte Paar.

Das Bild hinter dem Versuch: der Lattenzaun: Eine quer schwingende Seilwelle passiert einen Lattenzaun nur, wenn sie in Lattenrichtung schwingt; ein zweiter, gekreuzter Zaun stoppt dann alles. Eine Längswelle (hin und her in Laufrichtung) merkte von beiden Zäunen nichts. Der Doppelzaun-Test unterscheidet also die Bauarten, und genau ihn übersetzen die Filter ins Licht. Das anschauliche Zaunbild trägt weit; streng wird es durch die Feldvektor-Beschreibung der elektromagnetischen Welle abgesichert.

Die Vorhersagen: Unpolarisiertes LED-Licht ist ein Richtungsgemisch. Ein einzelner Filter halbiert es nur (im Mittel) und zeigt beim Drehen keine Änderung; zwei Filter laufen von hell (parallel) stufenlos bis schwarz (gekreuzt). LCD-Licht dagegen ist schon polarisiert. Da muss bereits der eine Filter beim Drehen von hell bis dunkel laufen. Der Einzelfilter ist der Detektor für fertig polarisierte Quellen.

Helligkeitsurteile immer gegen dieselbe Umgebung (Filterrand als Vergleichsfläche); für die Reflexions-Station flach über die Wasserschale peilen (etwa 40 bis 60 Grad zur Senkrechten).

Lattenzaun-Doppelbild (parallel/gekreuzt) neben dem Filterpaar mit Winkelskala; darunter LCD und Wasserspiegelung mit Filter davor.

Aufbau: Zwei (besser drei) Polarisationsfilter in Drehfassungen mit Winkelskala, weiße Lichtquelle (LED-Leuchte), LCD-Monitor oder Taschenrechner-Display, glänzende Tischfläche oder Wasserschale für die Reflexions-Station, Fensterblick auf blauen Himmel (falls verfügbar).

Die vier Stufen der Aufgabenstellung nacheinander, je mit Winkelprotokoll; bei Stufe 3 zusätzlich notieren, bei welcher Filterstellung die Seespiegelung maximal verschwindet (Filterrichtung dann senkrecht).

Die Strukturfrage ist entschieden: Das Filterpaar sperrt bei 90° vollständig. Licht trägt also eine Querrichtung, die man auswählen und verstellen kann; eine Längswelle böte dem Filter nichts zum Sortieren. Der stufenlose Verlauf dazwischen folgt dem Gesetz von Malus ($I = I_0 \cos^2\varphi$; bei 45° die Hälfte, das passt zur Beobachtung „etwa halb“). Der Analysator misst die Projektion der Schwingungsrichtung. Licht ist eine Querwelle, gemessen, nicht behauptet.

Die Alltagsquellen sind erklärt: Das LCD lief schon mit einem einzelnen Filter von hell bis schwarz; sein Licht verlässt den Schirm fertig polarisiert. Kein Wunder, denn im Inneren arbeitet genau unser Aufbau: zwei gekreuzte Filter, dazwischen Flüssigkristalle, die je Bildpunkt elektrisch gesteuert die Schwingungsrichtung drehen oder nicht. Jedes Pixel ist eine schaltbare Stufe-4-Anordnung. Und die Seespiegelung verschwand bei senkrechter Filterstellung, denn flache Reflexion lässt bevorzugt waagerechte Schwingung übrig. Die Polbrille des Anglers ist ein fest verbauter Senkrecht-Filter: Sie löscht den Oberflächenglanz und öffnet den Blick ins Wasser. Fotografen drehen denselben Filter vor dem Objektiv, bis Schaufenster durchsichtig und Himmel satt werden.

Der dritte Filter, das feinste Ergebnis: Zwischen gekreuzten Filtern machte ein 45°-Filter wieder hell. Ein Filter ist also kein bloßes Sieb: Was ihn passiert, schwingt danach in seiner Richtung. Der Mittelfilter projiziert die Vertikale auf 45° (Faktor cos²45° = ½), der Endfilter projiziert 45° auf horizontal (nochmal ½). Ein Viertel der Intensität kommt durch, wo ohne Mittelfilter null war. Wer das erklären kann, hat verstanden, dass Polarisation Projektions-Geometrie ist, und hält den Schlüssel zum LCD in der Hand.

Gekreuzte Filter sperren vollständig, LCD-Licht und flache Spiegelungen sind polarisiert, und ein 45°-Zwischenfilter hellt das gesperrte Paar wieder auf. Licht ist eine Querwelle, Filter definieren ihre Schwingungsrichtung, und Polbrille wie Flachbildschirm sind Anwendungen dieses Versuchs.

Bei qualitativen Helligkeitsurteilen liegen die Fallen im Vergleich: