Um zu verstehen, wie polarisierte Sonnenbrillen funktionieren, ist es bequem, sich Licht als eine Welle vorzustellen, die sich entlang einer Schnur bewegt. Genau wie eine Welle auf einer Schnur, wackelt eine Lichtwelle quer zu ihrer Bewegungsrichtung. Und genau wie eine Welle auf einer Saite kann die Ebene, in der die Saite schwingt, unterschiedliche Ausrichtungen haben. Zum Beispiel kann die Schwingung auf und ab, von Seite zu Seite oder in einer beliebigen Kombination der beiden Richtungen schwingen. Wenn die Saite z. B. in einem Winkel von 45 Grad schwingt, kann dies mathematisch in eine Kombination aus horizontalen und vertikalen Schwingungskomponenten zu gleichen Anteilen zerlegt werden. Eine Saite, die z.B. um 75 Grad schwingt, hat mehr vertikale als horizontale Komponenten. Der Winkel der transversalen Schwingung wird als „Polarisationswinkel“ bezeichnet (siehe Abbildung 1). Wenn wir übrigens sagen, dass eine bestimmte Lichtquelle „unpolarisiert“ ist, meinen wir damit, dass sie Wellen in zufälligen Winkeln aussendet, so dass es im Durchschnitt keine bevorzugte Richtung der Polarisation gibt. Direktes Sonnenlicht, Glühbirnen und Kerzen sind Beispiele für unpolarisierte Lichtquellen. Fast keine natürliche Lichtquelle ist an der Quelle polarisiert; die Polarisation erfolgt nach irgendeiner Art von Wechselwirkung mit Materie. Daher ist es für fast alle Lichtquellen so, als ob wir die Saite in einer Querrichtung wackeln würden, um eine Welle entlang der Saite zu erzeugen, die dann unvorhersehbar in eine andere Querrichtung wechselt, und so weiter (siehe Abbildung 2). Die Wellen schwingen in verschiedenen Polarisationswinkeln, bewegen sich aber alle entlang der Richtung des Strings.
Abbildung 1: „Polarisationswinkel“ ist der Winkel der transversalen Schwingungsrichtung einer Welle. Hier sind horizontal (0 Grad) und vertikal (90 Grad) dargestellt. Die Winkel dazwischen kann man sich als eine Mischung der beiden Richtungen mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen vorstellen. Das graue Rechteck mit einem vertikalen Schlitz stellt einen Polarisationsfilter dar, der die vertikalen Schwingungen der Saite durchlässt und die horizontalen blockiert. Bildquelle: cnx.org
Abbildung 2: Eine unpolarisierte Welle. Die Richtung der Polarisation ändert sich zufällig entlang der Welle. Sonnenlicht und die meisten anderen Lichtquellen sind unpolarisiert, werden aber bei Reflexion teilweise polarisiert. Bildquelle: astronomy.nmsu.edu
Sonnenlicht kann durch die Streuung an Luftmolekülen oder durch Reflexion an etwas wie einem See teilweise polarisiert werden. Das bedeutet, dass die Wellen der Sonne nach der Streuung oder Reflexion nicht mehr zufällig in alle Richtungen schwingen, sondern im Durchschnitt eine Vorzugsrichtung haben. Im Falle einer horizontalen Oberfläche – wie einem See oder einer Straße – ist die Vorzugsrichtung horizontal. Dieses horizontal schwingende, reflektierte Sonnenlicht ist das Ärgernis, das wir als Blendung wahrnehmen, und das ist der Grund, warum polarisierte Brillengläser für Strandbesucher und Autofahrer so nützlich sind: Sie blockieren die Blendung. Die Polarisationsfilter auf diesen Gläsern blockieren bevorzugt die horizontale Komponente der Lichtschwingung, während sie die vertikale Komponente durchlassen. Das Ergebnis ist ein dunkleres Bild, aber mit besserem Kontrast (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3: Betrachtung der gleichen Szene mit und ohne Polfilter. Das reflektierte Sonnenlicht im linken Bild ist teilweise polarisiert. Das rechte Bild ist mit einem Filter aufgenommen, der horizontal polarisiertes Licht blockiert. Bildquelle: photography.ca/blog
Die Fresnel-Gleichungen zeigen quantitativ, wie unpolarisiertes Licht nach Reflexion an einer dielektrischen Oberfläche – wie Wasser oder Glas – teilweise polarisiert wird. Die Gleichungen werden hier nur erwähnt, damit der Leser erkennen kann, dass sich die horizontal polarisierte Komponente einer Welle in ihrem Reflexionskoeffizienten von der vertikal polarisierten Komponente unterscheidet. Ungleiche Reflexionskoeffizienten führen dazu, dass unpolarisiertes Licht teilweise polarisiert wird. Interessanterweise sagen die Fresnel-Gleichungen die Existenz eines Winkels voraus, für den die Blendung vollständig polarisiert ist, nicht nur teilweise polarisiert. Mit anderen Worten, Blendung aus diesem Winkel (bekannt als Brewster-Winkel) kann durch einen idealen Polarisationsfilter vollständig blockiert werden. Der Effekt ist dramatisch. (siehe Abbildung 4).
Abbildung 4: Blendung, die im Brewster-Winkel von einem Fenster reflektiert wird. Das Licht, das die Blendung erzeugt, ist stark polarisiert, so dass der Polarisationsfilter (am rechten Fenster) es praktisch vollständig entfernen kann. Für Süßwasser beträgt der Brewster-Winkel etwa 53 Grad, so dass die Spitzenleistung von polarisierten Sonnenbrillen auf einem ruhigen See eintritt, wenn die Sonne in einem Winkel von etwa 37 Grad zum Horizont steht (90-53= 37). Bildquelle: boundless.com/physics
Um zu verstehen, wie polarisierte Sonnenbrillen die horizontale Polarisation blockieren, ist es wichtig zu wissen, wie sich die Elektronen in den Molekülen des Sonnenbrillenfilters verhalten. Elektronen werden durch die eintreffende Lichtwelle in Schwingung versetzt und somit wird ein Teil der Wellenenergie des Lichts auf die Elektronen übertragen, um von den Elektronen abgeleitet oder reflektiert zu werden. Polarisationsfilter, die in Sonnenbrillen verwendet werden, enthalten Moleküle, die es den Elektronen leicht machen, in horizontaler Richtung (lange Richtung) zu schwingen, wodurch mehr horizontal polarisierte Lichtenergie abgeleitet wird. Andererseits machen es die langen Moleküle den Elektronen schwer, in die vertikale Richtung (kurze Richtung) zu schwingen – und vermindern so die Dissipation der Elektronen von vertikal polarisierten Lichtwellen. (siehe Abbildung 5).
Abbildung 5: Moleküle in einem Polarisationsfilter sind lang in einer Richtung und kurz in der senkrechten Richtung. Die Elektronen können entlang der Länge des Moleküls frei schwingen und dabei die Lichtenergie absorbieren oder reflektieren, während sie entlang der kurzen Richtung nicht sehr weit schwingen können. Die „E-Feld“-Pfeile in der Abbildung zeigen die Richtung der Polarisation an. Die kleinen Kugeln mit der Bezeichnung „e-“ stellen Elektronen dar. Beachten Sie in der Abbildung, wie die horizontal polarisierte Welle (oben) mit reduzierter Amplitude aus der Wechselwirkung mit den Elektronen hervorgeht, während die vertikal schwingende Welle (unten) mit unverminderter Amplitude durchkommt. Bildquelle: voer.edu.vn
In der Praxis ist es schwierig, die langen Moleküle alle in eine Richtung aufgereiht zu bekommen, aber etwas aufgereihte Moleküle sind immer noch effektiv, um einen Polarisator herzustellen. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, langkettige Moleküle auf ein Stück transparentes, dehnbares Material zu legen und dann das dehnbare Material zu erhitzen und zu ziehen. Die langen Molekülketten, die ursprünglich in zufälligen Orientierungen waren, werden sich mehr oder weniger in Zugrichtung ausrichten.
Abbildung 6 unten zeigt eine vereinfachte Zusammenfassung von allem, was wir gerade über Polarisation besprochen haben: Blendreduzierende Sonnenbrillen!
Abbildung 6: Polarisierte Sonnenbrillen blockieren horizontal polarisiertes Licht (rot), lassen aber vertikal polarisiertes Licht (blau) durch. Bildquelle: microscopyu.com
Ari Siletz ist Präsident von CCDMETRIX. Sein Unternehmen ist auf die automatisierte Inspektion von Bildverarbeitungssystemen und Messtechnik spezialisiert. Mit einem Hintergrund sowohl in der Optik- als auch in der Softwaretechnik entwickelt Ari seit den 1980er Jahren Instrumente für die Brillen- und optische Beschichtungsindustrie. Das Schreiben ist eines von Aris ernsthaften Hobbys. Er ist ein veröffentlichter Autor, dessen Kurzgeschichten in zahlreichen literarischen Anthologien erschienen sind. Er lebt in Sebastopol, Kalifornien.