Polarisation

Bei mechanischer Belastung zeigen bestimmte Materialien doppelbrechende Eigenschaften, die sog. Spannungsdoppelbrechung. Unter Doppelbrechung versteht man die Fähigkeit optisch anisotroper Medien, ein Lichtbündel in zwei senkrecht zueinander polarisierte Teilbündel zu trennen. Diese beiden Teilbündel nennt man ordentlicher (o) und außerordentlicher (ao) Strahl. Die Ursache dieses Effekts liegt im unterschiedlichen Brechungsindex n_o und n_ao in Abhängigkeit von der Ausbreitungsrichtung des Lichts.

In optisch isotropen Medien (isotrop = keine Richtung ist ausgezeichnet) breitet sich Licht nach allen Richtungen mit gleicher Geschwindigkeit c_Medium = c_Vakuum / Brechungsindex n aus. Die von einer punktförmigen Lichtquelle ausgehenden Wellenflächen sind also Kugelflächen bzw. 2-dimensional betrachtet Kreise.

In optisch anisotropen Medien (anisotrop = eine Eigenschaft hängt von der Richtung ab), das sind eben doppelbrechende Medien, spaltet sich das Licht in zwei Anteile auf, welche beide linear polarisiert sind mit senkrecht zueinander orientierten Schwingungsebenen. Diese beiden Anteile nennt man wie oben schon erwähnt ordentlicher und außerordentlicher Strahl. Der ordentliche Strahl breitet sich isotrop aus, der außerordentliche anisotrop, d.h. in verschiedenen Richtungen verschieden schnell. Die von einer punktförmigen Lichtquelle ausgehenden Wellenflächen sind dann beim außerordentlichen Strahl Rotationsellipsoide bzw. 2-dimensional betrachtet Ellipsen. Entlang der optischen Achse (o. A.) stimmen die Geschwindigkeiten von ordentlichen und außerordentlichen Strahl überein. Dies bedeutet, dass sich Kreis und Ellipse auf der optischen Achse berühren. Hier ein Beispiel für einen einachsig negativen Kristall (c_ao > c_o, d.h. n_ao < n_o):

Ist der doppelbrechende Kristall so geschnitten, dass sich die optische Achse in der Schnittebene des Kristalls befindet (siehe Abbildung oben), so kommt es bei senkrechten Lichteinfall zu keiner Richtungsaufspaltung von ordentlichen und außerordentlichen Strahl. Wie aber dargestellt, ist der außerordentliche Strahl konkret schneller als der ordentliche. Am Ende des Kristalls überlagern sich dann wieder der außerordentliche und ordentliche Strahl. Je nach Länge des Kristalls kommt es aber bei der Zusammenführung zu unterschiedlichen Phasenverschiebungen. Beträgt die Phasenverschiebung etwa 90°, so entsteht aus dem in den Kristall eintretenden linear polarisierten Licht ein zirkular polarisiertes Licht. Diesen Kristall nennt man dann λ/4-Plättchen. Dazu habe ich vor etlichen Jahren eine 3D-Simulation in Turbo-Pascal programmiert:

In der obigen Abbildung beträgt die Phasenverschiebung des ordentlichen und außerordentlichen Strahls genau 90°, sodass aus dem linear polarisierten Licht ein zirkular polarisiertes entsteht.

In diesem abgebildeten Fall beträgt die Phasenverschiebung zufälligerweise genau 180°. Daher verlässt auch wieder linear polarisiertes Licht den Kristall.

Ist der Kristall hingegen anders geschnitten, sodass die optische Achse zum Beispiel schräg zur Schnittebene des Kristalls liegt (siehe Abbildung oben), so kommt es auch bei senkrechten Lichteinfall zur einer Richtungsaufspaltung von ordentlichen und außerordentlichen Strahl. Der ordentliche Strahl verhält sich so wie erwartet, d.h. für ihn gilt das Brechungsgesetz nach Snellius. Für den außerordentlichen Strahl gilt dieses nicht mehr. Dies ergibt dann das für doppelbrechende Kristalle (z.B. Calcit, auch Kalkspat oder Doppelspat genannt) gewohnte Bild einer doppelten Schrift. Mit einem Polarisationsfilter lässt sich zum Beispiel immer jeweils eine Schrift des Doppelspats ausblenden.

Bildquelle: https://www.spektrum.de/lexikon/optik/optische-doppelbrechung/2286

Einen für den Unterricht/das Physiklabor geeigneten Versuch stellt eben die Spannungsdoppelbrechung dar. Man benötigt hierfür nur eine helle Lichtquelle (z.B. Overhead-Projektor), 2 Polarisationsfilter (diese sind etwa bei Astro Media günstig erhältlich) und ein von den Schülern ausgeschnittenes Plexiglasmodell (z.B. Fahrradrahmen, Gabelschlüssel etc.). Befindet sich das Plexiglasmodell zwischen den beiden Polarisationsfolien und wird mechanisch etwa durch Druck mit den Fingern belastet, so erkennt man Strukturen im Modell, welche auf den jeweiligen Belastungszustand schließen lassen.