Reflexion und Brechung für beliebige Polarisation

Der allseits bekannte Merksatz, dass Licht bei der Reflexion am optisch dichteren Medium einen Phasensprung von 180° erfährt und bei der Reflexion am optisch dünneren Medium ohne Phasensprung reflektiert wird, gibt nur einen Bruchteil der Realität wieder. Dieser Artikel soll daran erinnern, dass die Wirklichkeit viel komplexer ist - mathematisch gesprochen. Das liegt daran, dass Licht als elektromagnetische Welle polarisiert ist. Im Folgenden ein paar Beispiele aus der Ellipsometrie.

Wie in Reflexion und Brechung gilt "einfallend = rot", "reflektiert = blau" und "transmittiert = grün", Grenzschicht (y=0) grau. Für den einfallenden Strahl ist die zur Einfallsebene parallele Komponente der elektrischen Feldstärke zur Orientierung mit ihrem Maximalwert (bei linearer Polarisation) dargestellt; für den reflektierten und gebrochenen Strahl in Abhängigkeit von der Zeit, zusammen mit der Raumkurve, die die Spitze des E-Vektors beschreibt.

Wir beginnen mit einem "exotischen Beispiel". Bei der Reflexion am dünneren Medium kann aus linear polarisiertem Licht zirkular polarisiertes Licht entstehen.

Reflexion am optisch dünneren Medium (n<1)

Dazu wählt man z.B. Einfallswinkel α = 33.26°, n = 0.414 = 1/2.415 und Azimut der linearen Polarisation ε = 45°. Das transmittierte Licht (die evaneszente Welle) ist elliptisch polarisiert. Wobei die Parameter so gewählt sind, dass die Umwandlung linear -> zirkular mit einer einzigen Reflexion klappt. Die Erscheinung ist besser bekannt mit zwei Reflexionen -> Fresnel-Rhombus.

Die nächste Animation zeigt die Änderung mit dem Einfallswinkel. Gleiche Parameter wie oben, aber t = 0 und zwei Pausen (1s) beim Eintritt in die Totalreflexion und bei streifender Inzidenz.

Bis zum Grenzwinkel (Totalreflexion) ist das reflektierte Licht linear polarisiert mit einer Schwingungsebene, die gegen die Schwingungsebene des einfallenden Lichts leicht verdreht ist. Das total reflektierte Licht ist bei den gewählten Parametern zunächst zirkular polarisiert, wird dann elliptisch polarisiert bis es bei streifendem Einfall linearpolarisiert und gegenphasig zum einfallenden Licht ist. Das transmittierte Licht ist linear polarisiert mit (leicht) gedrehter Schwingungsebene und wird als evaneszente Welle elliptisch polarisiert.

Änderung des Polarisationswinkels der einfallenden Welle

Die nächste Animation zeigt die Änderung des Azimuts der Polarisation (phe) von 0° (parallele Komponente) bis 90° (senkrechte Komponente) [alpha := -0.5804654212; n := 0.414; t := 0;phe := 'phe'; ph := 0;].

Änderung der Phasenverschiebung der parallelen und senkrechten Komponente

alpha := -0.5804654212; n := 0.414; t := 0; phe := Pi/4; ph := 'ph';
die Phasenverschiebung ph wird von 0 bis Pi/2 verändert

Einfallendes Licht zirkular polarisiert

alpha := -0.5804654212; n := 0.414; t := 't'; phe := Pi/4; ph := Pi/2;

Zur Orientierung wurde die Amplitude der parallelen Komponente der linearen Polarisation beibehalten. Das zirkular polarisierte Licht hat eine kleinere Amplitude, siehe Scherzfrage. Aus zirkular polarisiertem Licht wird linear polarisiertes reflektiertes Licht. Was ergibt sich für n>1?

Reflexion am optisch dichteren Medium (n>1)

Parallel: alpha := 'alpha'; n := 1.5; t := 0; phe := 0; ph := 0; (Wellenvektor des gebrochenen Strahls abgeschnitten)