Linear polarisierte 3D-Brille und die physikalische Form von Lichtwellen

Lichtwellen werden kugelförmig abgestrahlt, elektromagnetische Wellen haben aber dennoch eine Polarisation.

Die Maxwell-Gleichungen, die das elektromagnetische Feld erfüllt, sind

Wenn$\rho = 0$Und$\vec J = \vec 0$wie im Vakuum werden diese Gleichungen schön symmetrisch und man kann die Identität that verwenden$\nabla\times(\nabla \times X) = \nabla(\nabla\cdot X) - \nabla^2 X$um sie künstlich zu entkoppeln und die Wellengleichungen zu erhalten$\nabla^2 E= \ddot E,\; \nabla^2 B = \ddot B.$Jede dieser Gleichungen hat eine sehr allgemeine Lösung; beliebige Überlagerung von Vektorfeldern$\vec F(\vec r - c t \hat v)$funktioniert für jeden Bereich$\vec F$und jede Richtung$\hat v.$

Es ist hilfreich, sich auf monochromatische ebene Wellen zu beschränken, woher wir zum Beispiel das finden

Wie funktioniert nun ein Polarisator? Das einfachste Beispiel ist ein Drahtgitterpolarisator, ein Satz paralleler Drähte nebeneinander. Wenn diese Drähte entlang gehen$y$-Richtung, dann die$\vec E$Feld verhält sich so, als würde es gerade auf ein Metall treffen und Ströme in den Drähten auf und ab induzieren. Metalle reflektieren elektromagnetische Wellen, und daher werden die elektromagnetischen Wellen von den Drähten reflektiert. Aber wenn die Drähte entlang gehen$z$-Richtung, dann die$\vec E$Feld kann Elektronen überhaupt nicht sehr weit bewegen, bevor sie auf die Seite des Drahtes treffen! Es werden also keine großen Ströme erzeugt und der Polarisator leitet nicht in diese Richtung – die$\vec E$Feld geht direkt durch.

Für den allgemeinen Fall der Lichtaussendung lohnt es sich, sich zunächst die hübschen Bilder einer Dipolantenne anzusehen und sich dort die Dipolstrahlung anzusehen. Sie können sich Wärmestrahlung wie das Licht der Sonne dann so vorstellen, dass Sie diesen Dipol nehmen und über alle Ausrichtungen des Dipols mitteln, da thermische Elektronen zufällig in alle Richtungen herumspringen. Sie können dies ungestraft tun, da die obigen Maxwell-Gleichungen linear sind und daher die Überlagerung eines Bündels von Lösungen eine weitere Lösung ist.

Wesentlicher Unterschied zwischen Licht und Ton ist: Licht ist eine Transversalwelle und kann polarisiert werden; Schallwelle in Gas ist Longitudinalwelle und kann nicht polarisiert werden.

Jede elektromagnetische Strahlung – und im speziellen Fall Licht als kleiner und für uns sichtbarer Teil der EM-Strahlung – besteht aus Photonen. Dies gilt sowohl für den Prozess der Emission als auch für die Absorption von EM-Strahlung. Jedes Photon hat eine elektrische E- und eine magnetische B- Feldkomponente, beide senkrecht zueinander und zur Ausbreitungsrichtung v (streng rechts nur für Vakuum). Die Feldkomponenten oszillieren während ihrer Ausbreitung. In den folgenden Grafiken wird dies durch die Abfolge der roten und blauen Pfeile visualisiert:

Normalerweise emittiert die Quelle EM-Strahlung mit gleichverteilten Richtungen der Feldkomponenten, d. h. die elektrische Feldkomponente für alle Photonen ist über 360° in jeder Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung gerichtet. Und Sie sind richtig für Glühbirnen; das licht wird rundum kugelförmig verteilt. Genau genommen hängt es von der Geometrie der Quelle ab (wie zum Beispiel bei einer Glocke oder wie bei einem Lautsprecher).

Solange diese EM-Strahlung nicht moduliert ist, können Sie keine Welleneigenschaften erkennen. Die Abstrahlung eines Antennenstabes ist ein Beispiel für modulierte Strahlung:

Wie können wir EM-Strahlung polarisieren? Empirisch ist bekannt, wie breit die Abstände zwischen den Kanten des Gitters sein müssen, um Photonen der benötigten Wellenlängen durchzulassen. Die elektrische Feldkomponente des Photons kann mit den Rändern eines Gitters interagieren. Ein gut gestaltetes Gitter lässt ca. 50 % des Lichts; alle diese Photonen haben nahezu die gleiche Schwingungsrichtung der elektrischen Feldkomponente.

Was in Ihrem Diagramm also visualisiert wird, ist normalerweise die Schwingung einer Feldkomponente des Elementarteilchens (des Photons) der EM-Strahlung. Ansonsten zeigt es eine Feldkomponente einer modulierten Strahlung (Funkwelle).

Beim Versuch, Licht zu verstehen, müssen zwei Komponenten berücksichtigt werden: die Amplitude und die Polarisation, und Sie können diese beiden Eigenschaften allen Punkten im Raum zuweisen. Dies ist sehr schwer zu visualisieren, daher sind die meisten dieser Bilder, die versuchen, Licht zu visualisieren, zwangsläufig ungenau. Das erste Bild, das Sie in Ihrem Beitrag zeigen, zeigt genau, wie sich Polarisation und Amplitude zusammen ändern, während Ihr zweites Bild genauer zeigt, wie sich Licht von einer Quelle ausbreitet.

Eine realistischere Art, Licht darzustellen, ist ein sogenanntes Vektorfelddiagramm. Diese Diagramme verwenden Pfeile, um die Polarisationsrichtung an verschiedenen Punkten im Raum anzuzeigen, während Farbe oder Pfeillänge verwendet werden, um die Feldstärke darzustellen.

Hier ist eine Animation einer realistischeren Quelle namens Dipolstrahlung. Die Polarisation ist nicht eingezeichnet, folgt aber weitgehend den eingezeichneten Konturen. Die Quelle erzeugt linear polarisiertes Licht, aber die Polarisationsrichtung ist irgendwie gekrümmt, um der Kontur einer Kugel zu folgen.

Und hier ist ein weiteres Bild der gleichen Art von Strahlung, aber die Feldrichtung ist deutlicher dargestellt.

Ich hoffe, das gibt Ihnen ein Gefühl dafür, wie Ihre beiden Vorstellungen von Licht zusammenpassen.