Polarisationszuständen

Polarisationszustände beschreiben die Orientierung und Form der Schwingung des elektrischen Feldes einer elektromagnetischen Welle. In der Optik und Quantenoptik spielen sie eine zentrale Rolle bei der Beschreibung der Lichtwirkung. Grundsätzlich lassen sich Polarisationszustände klassisch als Zustand der kohärenten Feldschwingungen auffassen oder quantenmechanisch als Zustand eines Photons bzw. mehrerer Photonen. Man unterscheidet daher klassische Polarisationszustände von quantenmechanischen Polarisationszuständen.

Klassische Polarisationszustände umfassen Linearpolarisation, Zirkularpolarisation und elliptische Polarisation. Die Zustände lassen sich durch das Jones-Vektor-Modell für vollständig kohärente Signale oder durch die Stokes-Parameter S0, S1, S2, S3 beschreiben. Die Stokes-Parameter ermöglichen die Darstellung auf der Poincaré-Sphäre und die Kennzeichnung des Grades der Polarisation (DOP). Transformationen durch optische Elemente wie Polarisatoren, Linear- oder Mehrfach-Wellenplatten entsprechen Rotationen bzw. Skalierungen des Stokes-Vektors.

Quantenpolarisationszustände: Ein einzelnes Photon kann in einer Superpositionszustand polarisiert sein, z. B. |H>, |V> oder |D>, |A>, |R>, |L>. Der Zustand wird durch eine Dichtematrix oder einen Ket-Vektor beschrieben. Messungen mit Polaroid-Analysatoren liefern Wahrscheinlichkeiten gemäß der Quantenmechanik; bei Mehrfachmessungen ergeben sich Korrelationen, die Entanglement und Bell-ähnliche Phänomene zeigen. Transformationen durch optische Elemente realisieren unitäre Operationen auf dem Polarisations-Qubit, etwa mit Quarter-Wave Plates (QWP) und Half-Wave Plates (HWP).

Anwendungen finden Polarisationszustände unter anderem in der optischen Kommunikation (Polarisation Multiplexing), in der Quanteninformation (Quantenkryptografie, QKD), in der Spektroskopie sowie in der Mikroskopie und Oberflächenanalyse. Wichtige Konzepte sind dabei Polarisationserhaltung in Fasern, Depolarisierung sowie die robuste Wiedergabe und Kontrolle von Polarisation durch geeignete optische Bauelemente.