Polarisationstransformationen

Polarisationstransformationen bezeichnet die Veränderung des Zustands der Polarisation von Licht, die durch optische Komponenten, Medien oder Geometrien verursacht wird. In der theoretischen Beschreibung unterscheiden sich zwei Hauptansätze.

Jones-Formalismus: Für vollständig polarisierte Strahlung wird der Zustand durch einen zweidimensionalen komplexen Vektor j = [E_x; E_y] beschrieben. Optische Elemente wirken als 2×2-Jones-Matrizen J, sodass der Ausgangszustand j_out = J j_in gilt. Beliebige Sequenzen entsprechen Matrixmultiplikationen. Die Beschreibung erfasst Amplitudenveränderung und Phasenverschiebung, ist jedoch linear und gilt nur für verlustfreie, vollständig polarisierte Strahlung.

Stokes-Formalismus: Für teilweise polarisierte Lichtfelder wird der Zustand durch den Stokes-Vektor S = [S0, S1, S2, S3] beschrieben. Optische Eigenschaften werden durch Mueller-Matrizen M beschrieben, sodass S_out = M S_in. Mueller-Matrizen können Verluste, Depolarisation und Nichtlinearitäten abbilden. Ist der Eingang rein polarisiert, hängt M von der zugrundeliegenden Jones-Matrix ab; generell liefern sie aber auch für unvollständige Polarisation brauchbare Transformationsregeln.

Typische Transformationen: Polarisationsrotatoren drehen die Polarisation um einen bestimmten Winkel; Retarderplatten (Quarzplatten) fügen relative Phasenverschiebungen zwischen orthogonalen Komponenten hinzu (z. B. Quarter- und Half-Wave Plates). Ideale, verlustfreie Optiken wirken als Rotationen oder Phasenverschiebungen auf der Poincaré-Sphäre. Depolarisierende oder verlustbehaftete Elemente werden durch Mueller-Matrizen beschrieben und können die Polarisation in Richtung mehrerer Zustände streuen.

Anwendungen umfassen Telekommunikation, Mess- und Sensorik, Quanteninformation sowie Materialcharakterisierung. Relative Effekte wie die Faraday-Rotation illustrieren nicht-reziproke Rotationen durch Magnetfelder.