Поляризация (волны)


Поляризация ( также поляризация ) - это свойство, относящееся к поперечным волнам, которое определяет геометрическую ориентацию колебаний . [1] [2] [3] [4] [5] В поперечной волне направление колебаний перпендикулярно направлению движения волны. [4] Простым примером поляризованной поперечной волны являются колебания, распространяющиеся по натянутой струне (см. Изображение) ; например, в музыкальном инструменте, таком как гитарная струна. В зависимости от того, как струна натягивается, колебания могут быть в вертикальном, горизонтальном направлении или под любым углом, перпендикулярным струне. Напротив, в продольных волнах , таких как звуковые волны в жидкости или газе, смещение частиц при колебаниях всегда происходит в направлении распространения, поэтому эти волны не проявляют поляризации. Поперечные волны , которые демонстрируют поляризации включают в себя электромагнитные волны , такие как легкие и радиоволны , гравитационные волны , [6] и поперечные звуковых волны ( волны сдвига ) в твердых телах.

Круговая поляризация на резиновой нити, преобразованная в линейную поляризацию

Электромагнитные волны , такие как свет состоит из колеблющихся в сочетании электрического поля и магнитное поле , которое всегда перпендикулярны друг к другу; условно, «поляризация» электромагнитных волн относится к направлению электрического поля. При линейной поляризации поля колеблются в одном направлении. В круговой или эллиптической поляризации поля вращаются с постоянной скоростью в плоскости по мере распространения волны. Вращение может иметь два возможных направления; если поля вращаются вправо по отношению к направлению распространения волны, это называется правой круговой поляризацией , а если поля вращаются влево, это называется левой круговой поляризацией .

Свет или другое электромагнитное излучение от многих источников, таких как солнце, пламя и лампы накаливания , состоит из коротковолновых последовательностей с равной смесью поляризаций; это называется неполяризованным светом . Поляризованный свет можно получить, пропуская неполяризованный свет через поляризатор , который позволяет проходить волнам только одной поляризации. Наиболее распространенные оптические материалы не влияют на поляризацию света, однако некоторые материалы, проявляющие двойное лучепреломление , дихроизм или оптическую активность, по- разному влияют на свет в зависимости от его поляризации. Некоторые из них используются для изготовления поляризационных фильтров. Свет также частично поляризуется, когда он отражается от поверхности.

Согласно квантовой механике , электромагнитные волны также можно рассматривать как потоки частиц, называемых фотонами . С этой точки зрения поляризация электромагнитной волны определяется квантово-механическим свойством фотонов, называемым их спином . [7] [8] Фотон имеет один из двух возможных спинов: он может вращаться в правом или левом смысле относительно направления своего движения. Электромагнитные волны с круговой поляризацией состоят из фотонов с одним типом спина, правым или левым. Волны с линейной поляризацией состоят из фотонов, которые находятся в суперпозиции состояний с правой и левой круговой поляризацией, с одинаковой амплитудой и фазами, синхронизированными для создания колебаний в плоскости. [8]

Поляризация - важный параметр в областях науки, связанных с поперечными волнами, таких как оптика , сейсмология , радио и микроволны . Особенно пострадали такие технологии, как лазеры , беспроводная и оптоволоконная связь , а также радары .

Распространение волн и поляризация

кросс-линейная поляризация

Большинство источников света классифицируются как некогерентные и неполяризованные (или только «частично поляризованные»), потому что они состоят из случайной смеси волн, имеющих разные пространственные характеристики, частоты (длины волн), фазы и состояния поляризации. Однако для понимания электромагнитных волн и, в частности, поляризации легче просто рассмотреть когерентные плоские волны ; это синусоидальные волны одного конкретного направления (или волнового вектора ), частоты, фазы и состояния поляризации. Затем характеристика оптической системы по отношению к плоской волне с этими заданными параметрами может быть использована для прогнозирования ее реакции в более общем случае, поскольку волна с любой заданной пространственной структурой может быть разложена на комбинацию плоских волн (ее так называемые угловой спектр ). Некогерентные состояния можно моделировать стохастически как взвешенную комбинацию таких некоррелированных волн с некоторым распределением частот (его спектром ), фазами и поляризациями.

Поперечные электромагнитные волны

«Вертикально поляризованная» электромагнитная волна с длиной волны λ имеет вектор электрического поля E (красный), колеблющийся в вертикальном направлении. Магнитное поле B (или H ) всегда перпендикулярно ему (синее), и оба перпендикулярны направлению распространения ( z ).

Электромагнитные волны (такие как свет), распространяющиеся в свободном пространстве или в другой однородной изотропной не затухающей среде, должным образом описываются как поперечные волны , что означает, что вектор электрического поля E плоской волны и магнитное поле H направлены в направлениях, перпендикулярных (или «поперечных»). «к) направление распространения волны; E и H также перпендикулярны друг другу. По соглашению, направление «поляризации» электромагнитной волны задается ее вектором электрического поля. Рассматривая плоскую монохроматическую волну с оптической частотой f (свет с длиной волны вакуума λ имеет частоту f = c / λ, где c - скорость света), возьмем направление распространения в качестве оси z . Будучи поперечной волной, поля E и H должны содержать компоненты только в направлениях x и y, тогда как E z = H z = 0 . Используя комплексную (или векторную ) запись, мгновенные физические электрические и магнитные поля задаются действительными частями комплексных величин, встречающихся в следующих уравнениях. Как функция времени t и пространственного положения z (поскольку для плоской волны в направлении + z поля не зависят от x или y ) эти комплексные поля могут быть записаны как:

а также

где λ = λ 0 / n - длина волны в среде ( показатель преломления которой равен n ), а T = 1 / f - период волны. Здесь e x , e y , h x и h y - комплексные числа. Во второй, более компактной форме, как обычно выражаются эти уравнения, эти факторы описываются с помощью волнового числа и угловая частота (или "радианная частота"). В более общей постановке с распространением, не ограниченным направлением + z , пространственная зависимость kz заменяется на где называется волновым вектором , величина которого является волновым числом.

Таким образом, ведущие векторы e и h каждый содержат до двух ненулевых (комплексных) компонент, описывающих амплитуду и фазу компонент поляризации волны x и y (опять же, компонента поляризации z не может быть для поперечной волны в направлении + z ). . Для данной среды с характеристическим сопротивлением , h связано с e соотношением:

а также

.

В диэлектрике η действительна и имеет значение η 0 / n , где n - показатель преломления, а η 0 - полное сопротивление свободного пространства. Импеданс в проводящей среде будет сложным. [ требуется пояснение ] Обратите внимание, что при таком соотношении скалярное произведение E и H должно быть равно нулю: [ сомнительно ]

что указывает на то, что эти векторы ортогональны (под прямым углом друг к другу), как и ожидалось.

Таким образом, зная направление распространения ( в данном случае + z ) и η, можно точно так же определить волну в терминах только e x и e y, описывающих электрическое поле. Вектор, содержащий e x и e y (но без компонента z, который обязательно равен нулю для поперечной волны), известен как вектор Джонса . Помимо определения состояния поляризации волны, общий вектор Джонса также определяет общую величину и фазу этой волны. В частности, интенсивность световой волны пропорциональна сумме квадратов величин двух компонентов электрического поля:

Однако волны состояние поляризации зависит только от (комплексного) соотношения от й у к е х . Итак, давайте просто рассмотрим волны, у которых | e x | 2 + | е у | 2 = 1 ; это соответствует интенсивности около 0,00133 Вт на квадратный метр в свободном пространстве (где η 0 {\ displaystyle \ eta _ {0}} ). И поскольку абсолютная фаза волны не важна при обсуждении ее состояния поляризации, давайте оговорим, что фаза e x равна нулю, другими словами, e x является действительным числом, в то время как e y может быть комплексным. При этих ограничениях e x и e y можно представить следующим образом:

где состояние поляризации теперь полностью параметризовано значением Q (таким, что -1 < Q <1) и относительной фазой.

Непоперечные волны

Помимо поперечных волн, существует множество волновых движений, в которых колебания не ограничиваются направлениями, перпендикулярными направлению распространения. Эти случаи выходят далеко за рамки данной статьи, в которой основное внимание уделяется поперечным волнам (таким как большинство электромагнитных волн в объемных средах), однако следует знать о случаях, когда поляризацию когерентной волны нельзя описать просто с помощью вектора Джонса, как мы только что сделали.

Просто рассматривая электромагнитные волны, отметим, что предыдущее обсуждение строго применимо к плоским волнам в однородной изотропной непатухающей среде, тогда как в анизотропной среде (такой как двулучепреломляющие кристаллы, как обсуждается ниже) электрическое или магнитное поле может иметь как продольное, так и поперечные компоненты. В этих случаях электрическое смещение D и плотность магнитного потока B [ необходимо пояснение ] по- прежнему подчиняются указанной выше геометрии, но из-за анизотропии электрической восприимчивости (или магнитной проницаемости ), которая теперь определяется тензором , направление E (или H ) может отличаться от D (или B ). Даже в изотропных средах так называемые неоднородные волны могут быть запущены в среду, показатель преломления которой имеет значительную мнимую часть (или « коэффициент экстинкции »), такую ​​как металлы; [ требуется пояснение ] эти поля также не являются строго поперечными. [9] : 179–184 [10] : 51–52 Поверхностные волны или волны, распространяющиеся в волноводе (таком как оптическое волокно ), как правило, не являются поперечными волнами, но могут быть описаны как электрическая или магнитная поперечная мода или гибридная режим.

Даже в свободном пространстве продольные компоненты поля могут генерироваться в фокальных областях, где приближение плоской волны не работает. Крайним примером является радиально или тангенциально поляризованный свет, в фокусе которого электрическое или магнитное поле, соответственно, полностью продольно (вдоль направления распространения). [11]

Для продольных волн, таких как звуковые волны в жидкостях , направление колебаний по определению совпадает с направлением движения, поэтому вопрос о поляризации обычно даже не упоминается. С другой стороны, звуковые волны в массивном твердом теле могут быть как поперечными, так и продольными, всего с тремя компонентами поляризации. В этом случае поперечная поляризация связана с направлением касательного напряжения и смещением в направлениях, перпендикулярных направлению распространения, а продольная поляризация описывает сжатие твердого тела и вибрацию вдоль направления распространения. Дифференциальное распространение поперечной и продольной поляризаций важно в сейсмологии .

Колебания электрического поля

Поляризацию лучше всего понять, если сначала рассмотреть только чистые состояния поляризации и только когерентную синусоидальную волну на некоторой оптической частоте. Вектор на соседней диаграмме может описывать колебания электрического поля, излучаемого одномодовым лазером (частота колебаний которого обычно в 10 15 раз выше). Поле колеблется в плоскости xy вдоль страницы с волной, распространяющейся в направлении z , перпендикулярном странице. На первых двух диаграммах ниже показан вектор электрического поля в течение полного цикла для линейной поляризации в двух разных ориентациях; каждое из них считается отдельным состоянием поляризации (СОП). Обратите внимание, что линейная поляризация под углом 45 ° также может рассматриваться как добавление горизонтально линейно поляризованной волны (как на крайнем левом рисунке) и вертикально поляризованной волны той же амплитуды в той же фазе .

Polarisation state - Linear polarization parallel to x axis.svg
Polarisation state - Linear polarization oriented at +45deg.svg

Polarisation state - Right-elliptical polarization A.svg

Polarisation state - Right-circular polarization.svg

Polarisation state - Left-circular polarization.svg

Анимация, показывающая четыре различных состояния поляризации и три ортогональные проекции.
Волна с круговой поляризацией как сумма двух линейно поляризованных составляющих, сдвинутых по фазе на 90 °

Теперь, если бы кто-то должен был ввести фазовый сдвиг между этими горизонтальными и вертикальными компонентами поляризации, можно было бы получить эллиптическую поляризацию [12], как показано на третьем рисунке. Когда фазовый сдвиг составляет точно ± 90 °, возникает круговая поляризация (четвертая и пятая цифры). Таким образом, на практике создается круговая поляризация, начиная с линейно поляризованного света и используя четвертьволновую пластину для введения такого фазового сдвига. Результат двух таких сдвинутых по фазе компонентов, вызывающих вращающийся вектор электрического поля, показан на анимации справа. Обратите внимание, что круговая или эллиптическая поляризация может включать вращение поля по или против часовой стрелки. Они соответствуют различным состояниям поляризации, таким как две круговые поляризации, показанные выше.

Конечно, ориентация осей x и y, используемая в этом описании, произвольна. Выбор такой системы координат и рассмотрение эллипса поляризации с точки зрения компонент поляризации x и y соответствует определению вектора Джонса (ниже) с точки зрения этих базисных поляризаций. Обычно оси выбираются для решения конкретной задачи, например, x находится в плоскости падения. Поскольку существуют отдельные коэффициенты отражения для линейных поляризаций в плоскости падения и ортогональной плоскости падения ( p- и s- поляризации, см. Ниже), такой выбор значительно упрощает расчет отражения волны от поверхности.

Более того, в качестве базисных функций можно использовать любую пару состояний ортогональной поляризации, а не только линейные поляризации. Например, выбор правой и левой круговых поляризаций в качестве базисных функций упрощает решение проблем, связанных с круговым двулучепреломлением (оптической активностью) или круговым дихроизмом.

Эллипс поляризации

Polarisation ellipse2.svg

Рассмотрим чисто поляризованную монохроматическую волну. Если бы кто-то изобразил вектор электрического поля в течение одного цикла колебаний, то, как правило, был бы получен эллипс, как показано на рисунке, соответствующий определенному состоянию эллиптической поляризации . Обратите внимание, что линейную поляризацию и круговую поляризацию можно рассматривать как частные случаи эллиптической поляризации.

Затем состояние поляризации может быть описано в зависимости от геометрических параметров эллипса и его «руки», то есть независимо от того, происходит ли вращение вокруг эллипса по часовой стрелке или против часовой стрелки. Одна параметризации эллиптической фигуры задает угол ориентации ф, определяемую как угол между главной осью эллипса а х Оу [13] вместе с эллиптичностью ε = а / б, отношение эллипса основнымов к малой оси . [14] [15] [16] (также известное как осевое отношение ). Параметр эллиптичности - это альтернативная параметризация эксцентриситета эллипса. , или угол эллиптичности , χ = arctan b / a = arctan 1 / ε, как показано на рисунке. [13] Угол χ также важен в том смысле, что широта (угол от экватора) состояния поляризации, представленного на сфере Пуанкаре (см. Ниже), равна ± 2χ. Частные случаи линейной и круговой поляризации соответствуют эллиптичности ε, равной бесконечности и единице (или χ, равным нулю и 45 °), соответственно.

Вектор Джонса

Полную информацию о полностью поляризованном состоянии также дают амплитуда и фаза колебаний двух составляющих вектора электрического поля в плоскости поляризации. Это представление использовалось выше, чтобы показать, как возможны различные состояния поляризации. Информацию об амплитуде и фазе удобно представить как двумерный комплексный вектор ( вектор Джонса ):

Здесь а также обозначают амплитуду волны в двух компонентах вектора электрического поля, а а также представляют фазы. Произведение вектора Джонса на комплексное число единиц модуля дает другой вектор Джонса, представляющий тот же эллипс и, следовательно, то же состояние поляризации. Физическое электрическое поле как действительная часть вектора Джонса будет изменено, но само состояние поляризации не зависит от абсолютной фазы . В базисных векторах , используемые для представления вектора необходимости Джонса не представляют линейные состояния поляризации (т.е. быть реальным ). В общем, могут использоваться любые два ортогональных состояния , где пара ортогональных векторов формально определяется как имеющая нулевое внутреннее произведение . Обычным выбором является левая и правая круговые поляризации, например, для моделирования различного распространения волн в двух таких компонентах в средах с круговым двулучепреломлением (см. Ниже) или пути прохождения сигналов когерентных детекторов, чувствительных к круговой поляризации.

Координатная рамка

Независимо от того, представлено ли состояние поляризации с помощью геометрических параметров или векторов Джонса, в параметризации неявно присутствует ориентация системы координат. Это обеспечивает определенную степень свободы, а именно вращение вокруг направления распространения. При рассмотрении света, распространяющегося параллельно поверхности Земли, часто используются термины «горизонтальная» и «вертикальная» поляризация, причем первая связана с первым компонентом вектора Джонса или нулевым азимутальным углом. С другой стороны, в астрономии система координат экваториальной обычно используется вместо этого, с нулевым азимутом (или положением под углом, как это чаще называют в астрономии , чтобы избежать путаницы с горизонтальной системой координат ) , соответствующими на север.

обозначения s и p

"> Воспроизвести медиа
Электромагнитные векторы для , а также с участием вместе с 3 плоскими выступами и деформационной поверхностью полного электрического поля. Свет всегда s-поляризован в плоскости xy. полярный угол а также азимутальный угол .

Другая часто используемая система координат относится к плоскости падения . Это плоскость, образованная входящим направлением распространения и вектором, перпендикулярным плоскости границы раздела, другими словами, плоскость, в которой луч проходит до и после отражения или преломления. Компонента электрического поля, параллельная этой плоскости, называется p-подобной (параллельной), а составляющая, перпендикулярная этой плоскости, называется s-подобной (от senkrecht , немецкий язык для перпендикулярного). Поляризованный свет с его электрическим полем вдоль плоскости падения, таким образом, обозначается p-поляризованным , в то время как свет, электрическое поле которого перпендикулярно плоскости падения, называется s-поляризованным . P- поляризацию обычно называют поперечно-магнитной (TM), а также пи-поляризацией или тангенциальной плоской поляризацией . S- поляризацию также называют поперечно-электрической (TE), а также сигма-поляризацией или поляризацией в сагиттальной плоскости .

Неполяризованный и частично поляризованный свет

Определение

Естественный свет, как и большинство других распространенных источников видимого света, некогерентен : излучение создается независимо большим количеством атомов или молекул, излучение которых некоррелировано и, как правило, имеет случайную поляризацию. В этом случае говорят, что свет неполяризован . Этот термин несколько неточен, поскольку в любой момент времени в одном месте существует определенное направление электрического и магнитного полей, однако он подразумевает, что поляризация изменяется так быстро во времени, что она не будет измеряться или иметь отношение к результату эксперимент. Так называемый деполяризатор воздействует на поляризованный луч, создавая тот, который фактически полностью поляризован в каждой точке, но в котором поляризация изменяется так быстро по лучу, что ее можно игнорировать в предполагаемых применениях.

Неполяризованный свет можно описать как смесь двух независимых противоположно поляризованных потоков, каждый с половинной интенсивностью. [17] [18] Свет считается частично поляризованным, когда в одном из этих потоков больше энергии, чем в другом. На любой конкретной длине волны частично поляризованный свет можно статистически описать как суперпозицию полностью неполяризованного компонента и полностью поляризованного. [19] : 330 Затем можно описать свет в терминах степени поляризации и параметров поляризованной составляющей. Эта поляризованная составляющая может быть описана в терминах вектора Джонса или эллипса поляризации, как подробно описано выше. Однако, чтобы также описать степень поляризации, обычно используются параметры Стокса (см. Ниже), чтобы указать состояние частичной поляризации. [19] : 351 374–375

Мотивация

Передача плоских волн через однородную среду полностью описывается с помощью векторов Джонса и матриц Джонса 2 × 2. Однако на практике бывают случаи, когда весь свет не может быть виден таким простым способом из-за пространственных неоднородностей или наличия взаимно некогерентных волн. Так называемая деполяризация, например, не может быть описана с помощью матриц Джонса. Для этих случаев вместо этого обычно используется матрица 4 × 4, которая действует на 4-вектор Стокса. Такие матрицы были впервые использованы Полем Солейе в 1929 году, хотя они стали известны как матрицы Мюллера . Хотя каждая матрица Джонса имеет матрицу Мюллера, обратное неверно. Затем матрицы Мюллера используются для описания наблюдаемых поляризационных эффектов рассеяния волн на сложных поверхностях или ансамблях частиц, как это будет теперь представлено. [19] : 377–379

Матрица когерентности

Вектор Джонса идеально описывает состояние поляризации и фазу одиночной монохроматической волны, представляя чистое состояние поляризации, как описано выше. Однако любая смесь волн разной поляризации (или даже разных частот) не соответствует вектору Джонса. В так называемом частично поляризованном излучении поля являются стохастическими , и вариации и корреляции между компонентами электрического поля могут быть описаны только статистически . Одним из таких представлений является матрица когерентности : [20] : 137–142

где угловые скобки обозначают усреднение по многим волновым циклам. Было предложено несколько вариантов матрицы когерентности: матрица когерентности Винера и матрица спектральной когерентности Ричарда Бараката измеряют когерентность спектрального разложения сигнала, в то время как матрица когерентности Вольфа усредняет по всем временам / частотам.

Матрица когерентности содержит всю статистическую информацию второго порядка о поляризации. Эта матрица может быть разложена на сумму двух идемпотентных матриц, соответствующих собственным векторам матрицы когерентности, каждая из которых представляет состояние поляризации, ортогональное другому. Альтернативное разложение - на полностью поляризованные (нулевой определитель) и неполяризованные (масштабированная единичная матрица) компоненты. В любом случае операция суммирования компонентов соответствует некогерентной суперпозиции волн от двух компонентов. Последний случай порождает понятие «степень поляризации»; т.е. доля полной интенсивности, вносимая полностью поляризованным компонентом.

Параметры Стокса

Матрицу когерентности непросто визуализировать, поэтому некогерентное или частично поляризованное излучение принято описывать в терминах его общей интенсивности ( I ), (дробной) степени поляризации ( p ) и параметров формы эллипса поляризации. Альтернативное и математически удобное описание дают параметры Стокса , введенные Джорджем Габриэлем Стоксом в 1852 году. Связь параметров Стокса с параметрами эллипса интенсивности и поляризации показана в уравнениях и на рисунке ниже.

Здесь Ip , 2ψ и 2χ - сферические координаты состояния поляризации в трехмерном пространстве последних трех параметров Стокса. Обратите внимание на множители два перед ψ и χ, соответствующие соответственно тому факту, что любой эллипс поляризации неотличим от эллипса, повернутого на 180 °, или эллипса, длина полуосей которого поменяна местами, сопровождаемого поворотом на 90 °. Параметры Стокса иногда обозначают I , Q , U и V .

Четырех параметров Стокса достаточно для описания двумерной поляризации параксиальной волны, но не трехмерной поляризации общей непараксиальной волны или затухающего поля. [21] [22]

Сфера Пуанкаре

Пренебрегая первым параметром Стокса S 0 (или I ), три других параметра Стокса могут быть построены непосредственно в трехмерных декартовых координатах. Для данной мощности в поляризованной составляющей, заданной формулой

затем набор всех состояний поляризации отображается в точки на поверхности так называемой сферы Пуанкаре (но с радиусом P ), как показано на прилагаемой диаграмме.

Сфера Пуанкаре, на или ниже которой три параметра Стокса [ S 1 , S 2 , S 3 ] (или [ Q ,  U ,  V ]) нанесены в декартовых координатах.
Изображение состояний поляризации на сфере Пуанкаре

Часто полная мощность пучка не представляет интереса, и в этом случае используется нормализованный вектор Стокса путем деления вектора Стокса на полную интенсивность S 0 :

Нормализованный вектор Стокса то имеет единичную мощность (), а три значимых параметра Стокса, построенные в трех измерениях, будут лежать на сфере Пуанкаре единичного радиуса для чистых состояний поляризации (где ). Частично поляризованные состояния будут находиться внутри сферы Пуанкаре на расстоянииот происхождения. Когда неполяризованный компонент не представляет интереса, вектор Стокса можно дополнительно нормализовать, чтобы получить

На графике эта точка будет лежать на поверхности сферы Пуанкаре единичного радиуса и указывать на состояние поляризации поляризованного компонента.

Любые две противоположные точки на сфере Пуанкаре относятся к состояниям ортогональной поляризации. Перекрытие между любыми двумя состояниями поляризации зависит только от расстояния между их местах вдоль сферы. Это свойство, которое может быть истинным только тогда, когда чистые состояния поляризации отображаются на сфере, является мотивацией для изобретения сферы Пуанкаре и использования параметров Стокса, которые, таким образом, наносятся на нее (или под ней).

Обратите внимание, что IEEE определяет RHCP и LHCP как противоположные тем, которые используются физиками. Стандарт антенн IEEE 1979 показывает RHCP на южном полюсе сферы Пуанкаре. IEEE определяет RHCP, используя правую руку с большим пальцем, указывающим в направлении передачи, и пальцами, показывающими направление вращения поля E со временем. Обоснование противоположных соглашений, используемых физиками и инженерами, заключается в том, что астрономические наблюдения всегда выполняются с приходящей волной, движущейся к наблюдателю, тогда как большинство инженеров предполагают, что они стоят за передатчиком, наблюдая за волной, движущейся от них. В этой статье не используется стандарт антенн IEEE 1979 и не используется соглашение + t, обычно используемое в работе IEEE.

Поляризация при распространении волн

В вакууме компоненты электрического поля распространяются со скоростью света , так что фаза волны изменяется в пространстве и времени, а состояние поляризации - нет. То есть вектор электрического поля e плоской волны в направлении + z следует:

где k - волновое число . Как отмечалось выше, мгновенное электрическое поле представляет собой действительную часть произведения вектора Джонса на фазовый фактор.. Когда электромагнитная волна взаимодействует с веществом, ее распространение изменяется в соответствии с (комплексным) показателем преломления материала . Когда действительная или мнимая часть этого показателя преломления зависит от состояния поляризации волны, свойств, известных как двулучепреломление и поляризационный дихроизм (или диаттенуация ), соответственно, тогда состояние поляризации волны обычно изменяется.

В таких средах электромагнитная волна с любым заданным состоянием поляризации может быть разложена на две ортогонально поляризованные компоненты, которые сталкиваются с разными постоянными распространения . Влияние распространения по заданному пути на эти два компонента легче всего охарактеризовать в форме комплексной матрицы преобразования 2 × 2 J, известной как матрица Джонса :

Матрица Джонса из-за прохождения через прозрачный материал зависит от расстояния распространения, а также от двойного лучепреломления. Двулучепреломление (а также средний показатель преломления) обычно будет дисперсионным , то есть он будет изменяться в зависимости от оптической частоты (длины волны). Однако в случае материалов, не обладающих двулучепреломлением, матрица Джонса 2 × 2 является единичной матрицей (умноженной на скалярный фазовый коэффициент и коэффициент затухания), что подразумевает отсутствие изменения поляризации во время распространения.

Для эффектов распространения в двух ортогональных модах матрица Джонса может быть записана как

где g 1 и g 2 - комплексные числа, описывающие фазовую задержку и, возможно, ослабление амплитуды из-за распространения в каждой из двух собственных мод поляризации. T - унитарная матрица, представляющая изменение базиса от этих режимов распространения к линейной системе, используемой для векторов Джонса; в случае линейного двойного лучепреломления или диаттенуации моды сами являются состояниями линейной поляризации, поэтому T и T -1 могут быть опущены, если оси координат были выбраны надлежащим образом.

Двулучепреломление

В среде, называемой двойным лучепреломлением , в которой амплитуды неизменны, но имеет место дифференциальная фазовая задержка, матрица Джонса является унитарной матрицей : | г 1 | = | г 2 | = 1. Среда, называемая диаттенуирующей (или дихроичной в смысле поляризации), в которой по-разному влияют только амплитуды двух поляризаций, может быть описана с помощью эрмитовой матрицы (обычно умноженной на общий фазовый коэффициент). Фактически, поскольку любая матрица может быть записана как произведение унитарной и положительной эрмитовой матриц, распространение света через любую последовательность зависимых от поляризации оптических компонентов может быть записано как произведение этих двух основных типов преобразований.

Цвет узор из пластмассовой коробки , показывающий вызванного стрессом двойного лучепреломления при помещении между двумя скрещенными поляризаторами .

В среде с двойным лучепреломлением затухания нет, но два режима накапливают дифференциальную фазовую задержку. Хорошо известные проявления линейного двойного лучепреломления (то есть, когда базисные поляризации являются ортогональными линейными поляризациями) проявляются в оптических волновых пластинах / замедлителях и многих кристаллах. Если линейно поляризованный свет проходит через материал с двойным лучепреломлением, его состояние поляризации обычно изменяется, если только его направление поляризации не идентично одной из этих базовых поляризаций. Поскольку фазовый сдвиг и, таким образом, изменение состояния поляризации обычно зависит от длины волны, такие объекты, рассматриваемые в белом свете между двумя поляризаторами, могут вызывать цветные эффекты, как видно на прилагаемой фотографии.

Круговое двойное лучепреломление также называют оптической активностью , особенно в хиральных жидкостях, или вращением Фарадея , когда оно связано с наличием магнитного поля вдоль направления распространения. Когда линейно поляризованный свет проходит через такой объект, он выходит все еще линейно поляризованным, но с повернутой осью поляризации. Комбинация линейного и кругового двулучепреломления будет иметь в качестве основы поляризации две ортогональные эллиптические поляризации; однако термин «эллиптическое двулучепреломление» используется редко.

Пути векторов в сфере Пуанкаре при двулучепреломлении. Режимы распространения (оси вращения) показаны красными, синими и желтыми линиями, начальные векторы - толстыми черными линиями, а их пути - цветными эллипсами (которые представляют круги в трех измерениях).

Можно представить себе случай линейного двулучепреломления (с двумя ортогональными линейными модами распространения) с входящей волной, линейно поляризованной под углом 45 ° к этим модам. Когда дифференциальная фаза начинает нарастать, поляризация становится эллиптической, в конечном итоге переходя к чисто круговой поляризации (разность фаз 90 °), затем к эллиптической и, в конечном итоге, к линейной поляризации (фаза 180 °), перпендикулярной исходной поляризации, затем снова через круговую (270 ° фазы), затем эллиптической с исходным азимутальным углом и, наконец, обратно в исходное линейно поляризованное состояние (фаза 360 °), где цикл начинается заново. В целом ситуация более сложная и может быть охарактеризована как вращение сферы Пуанкаре вокруг оси, определяемой модами распространения. Примеры линейного (синий), кругового (красный) и эллиптического (желтый) двулучепреломления показаны на рисунке слева. Общая интенсивность и степень поляризации не изменяются. Если длина пути в двулучепреломляющей среде достаточна, две поляризационные компоненты коллимированного луча (или луча ) могут выходить из материала с позиционным смещением, даже если их окончательные направления распространения будут одинаковыми (при условии, что входная поверхность и выходная поверхность параллельны). Обычно это наблюдается с использованием кристаллов кальцита , которые представляют зрителю два слегка смещенных изображения в противоположных поляризациях объекта за кристаллом. Именно этот эффект обеспечил первое открытие поляризации Эразмом Бартолином в 1669 году.

Дихроизм

Среды, в которых предпочтительно снижается передача одной моды поляризации, называются дихроичными или диаттенюирующими . Подобно двойному лучепреломлению, диаттенуация может относиться к модам линейной поляризации (в кристалле) или модам круговой поляризации (обычно в жидкости).

Устройства, которые блокируют почти все излучение в одном режиме, известны как поляризационные фильтры или просто « поляризаторы ». Это соответствует g 2 = 0 в приведенном выше представлении матрицы Джонса. Выходной сигнал идеального поляризатора - это определенное состояние поляризации (обычно линейная поляризация) с амплитудой, равной исходной амплитуде входной волны в этом режиме поляризации. Мощность в другом режиме поляризации исключена. Таким образом, если неполяризованный свет проходит через идеальный поляризатор (где g 1 = 1 и g 2 = 0) сохраняется ровно половина его начальной мощности. Практические поляризаторы, особенно недорогие листовые поляризаторы, имеют дополнительные потери, так что g 1 <1. Однако во многих случаях более важным показателем качества является степень поляризации или коэффициент экстинкции поляризатора , которые включают сравнение g 1 с g 2 . Поскольку векторы Джонса относятся к амплитудам волн (а не к интенсивности ), при освещении неполяризованным светом оставшаяся мощность в нежелательной поляризации будет ( g 2 / g 1 ) 2 мощности в предполагаемой поляризации.

Зеркальное отражение

В дополнение к двойному лучепреломлению и дихроизму в расширенных средах, поляризационные эффекты, описываемые с помощью матриц Джонса, также могут возникать на (отражающей) границе между двумя материалами с разным показателем преломления . Эти эффекты рассматриваются уравнениями Френеля . Часть волны передается, а часть отражается; для данного материала эти пропорции (а также фаза отражения) зависят от угла падения и различны для s- и p- поляризаций. Следовательно, состояние поляризации отраженного света (даже если изначально неполяризовано) обычно изменяется.

Пакет пластин под углом Брюстера к лучу отражает часть s- поляризованного света на каждой поверхности, оставляя (после множества таких пластин) в основном p- поляризованный луч.

Любой свет, падающий на поверхность под особым углом падения, известным как угол Брюстера , где коэффициент отражения для p- поляризации равен нулю, будет отражаться с оставшейся только s- поляризацией. Этот принцип используется в так называемом «поляризаторе из стопки пластин» (см. Рисунок), в котором часть s- поляризации удаляется путем отражения от каждой угловой поверхности Брюстера, оставляя только p- поляризацию после прохождения через многие такие поверхности. Обычно меньший коэффициент отражения p- поляризации также является основой поляризованных солнцезащитных очков ; блокируя s (горизонтальную) поляризацию, большая часть бликов, возникающих, например, из-за отражения от мокрой улицы, удаляется. [19] : 348–350

В важном частном случае отражения при нормальном падении (не связанном с анизотропными материалами) особой s- или p- поляризации нет. Оба х и у поляризационных компоненты отражаются одинаково, и , следовательно , поляризация отраженной волны идентична падающей волны. Однако в случае круговой (или эллиптической) поляризации направленность состояния поляризации, таким образом, меняется на противоположную, поскольку по соглашению это указывается относительно направления распространения. Круговое вращение электрического поля вокруг осей xy, называемое «правым» для волны в направлении + z, является «левым» для волны в направлении -z . Но в общем случае отражения при ненулевом угле падения такого обобщения сделать нельзя. Например, свет с правой круговой поляризацией, отраженный от поверхности диэлектрика под скользящим углом, по-прежнему будет поляризован с правой (но эллиптической) поляризацией. Свет с линейной поляризацией, отраженный от металла при ненормальном падении, обычно становится эллиптически поляризованным. Эти случаи обрабатываются с использованием векторов Джонса, на которые действуют различные коэффициенты Френеля для s- и p- компонент поляризации.

Некоторые методы оптических измерений основаны на поляризации. Во многих других оптических методах поляризация имеет решающее значение или, по крайней мере, ее необходимо учитывать и контролировать; таких примеров слишком много, чтобы их приводить.

Измерение стресса

Стресс в пластиковых очках

В технике явление двойного лучепреломления, вызванного напряжением, позволяет легко наблюдать напряжения в прозрачных материалах. Как отмечалось выше и видно на прилагаемой фотографии, цветность двойного лучепреломления обычно создает цветные узоры при просмотре между двумя поляризаторами. При приложении внешних сил наблюдается внутреннее напряжение, индуцированное в материале. Кроме того, часто наблюдается двойное лучепреломление из-за напряжений, «замороженных» во время производства. Это обычно наблюдается в целлофановой ленте, двойное лучепреломление которой обусловлено растяжением материала в процессе производства.

Эллипсометрия

Эллипсометрия - это мощный метод измерения оптических свойств однородной поверхности. Он включает в себя измерение состояния поляризации света после зеркального отражения от такой поверхности. Обычно это делается в зависимости от угла падения или длины волны (или того и другого). Поскольку эллипсометрия основана на отражении, не требуется, чтобы образец был прозрачным для света или была доступна его обратная сторона.

Эллипсометрию можно использовать для моделирования (комплексного) показателя преломления поверхности объемного материала. Это также очень полезно при определении параметров одного или нескольких тонкопленочных слоев, нанесенных на подложку. Из-за их отражательных свойств не только прогнозируемая величина компонент p- и s- поляризации, но и их относительные фазовые сдвиги при отражении по сравнению с измерениями с помощью эллипсометра. Обычный эллипсометр измеряет не фактический коэффициент отражения (который требует тщательной фотометрической калибровки освещающего луча), а соотношение p- и s- отражений, а также изменение эллиптичности поляризации (отсюда и название), вызванное отражением от поверхности учился. Помимо использования в науке и исследованиях, эллипсометры используются на месте, например, для управления производственными процессами. [23] : 585ff [24] : 632

Геология

Микрофотография песчинки вулканического происхождения ; верхнее изображение представляет собой плоско-поляризованный свет, нижнее изображение - кросс-поляризованный свет, масштабная рамка слева по центру составляет 0,25 миллиметра.

Свойство (линейного) двулучепреломления широко распространено в кристаллических минералах и действительно сыграло решающую роль в первоначальном открытии поляризации. В минералогии это свойство часто используется с помощью поляризационных микроскопов с целью идентификации минералов. См. Оптическую минералогию для более подробной информации. [25] : 163–164

Звуковые волны в твердых материалах обладают поляризацией. Дифференциальное распространение трех поляризаций через Землю имеет решающее значение в области сейсмологии . Сейсмические волны с горизонтальной и вертикальной поляризацией ( поперечные волны ) называются SH и SV, а волны с продольной поляризацией ( волны сжатия ) называются P-волнами. [26] : 48–50 [27] : 56–57

Химия

Мы видели (выше), что двулучепреломление определенного типа кристалла полезно для его идентификации, и, таким образом, обнаружение линейного двулучепреломления особенно полезно в геологии и минералогии . У линейно поляризованного света обычно изменяется состояние поляризации при прохождении через такой кристалл, благодаря чему он выделяется при просмотре между двумя скрещенными поляризаторами, как видно на фотографии выше. Аналогичным образом, в химии вращение осей поляризации в жидком растворе может быть полезным измерением. В жидкости линейное двойное лучепреломление невозможно, однако может быть круговое двойное лучепреломление, когда хиральная молекула находится в растворе. Когда правые и левые энантиомеры такой молекулы присутствуют в равных количествах (так называемая рацемическая смесь), их эффекты взаимно компенсируются. Однако, когда имеется только один (или преобладание одного), как это чаще бывает в случае органических молекул , наблюдается чистое круговое двойное лучепреломление (или оптическая активность ), выявляя величину этого дисбаланса (или концентрацию молекулы сам, когда можно предположить, что присутствует только один энантиомер). Это измеряется с помощью поляриметра, в котором поляризованный свет проходит через трубку с жидкостью, на конце которой находится другой поляризатор, который вращается, чтобы обнулить прохождение света через него. [19] : 360–365 [28]

Астрономия

Во многих областях астрономии большое значение имеет изучение поляризованного электромагнитного излучения из космоса . Несмотря на то, как правило , не является фактором в тепловом излучении от звезд , поляризация также присутствует в излучении когерентных астрономических источников (например , гидроксильные или метанол мазеры ) и некогерентных источники , такие как крупные радио доля в активных галактиках и пульсарное радиоизлучение (который может Предполагается, что он иногда может быть когерентным), а также накладывается на звездный свет из-за рассеяния на межзвездной пыли . Помимо предоставления информации об источниках излучения и рассеяния, поляризация также исследует межзвездное магнитное поле через фарадеевское вращение . [29] : 119,124 [30] : 336–337 Поляризация космического микроволнового фона используется для изучения физики очень ранней Вселенной. [31] [32] Синхротронное излучение по своей природе поляризовано. Было высказано предположение, что астрономические источники вызвали хиральность биологических молекул на Земле. [33]

Поляризованные солнцезащитные очки

Влияние поляризатора на отражение от илистых отмелей. На рисунке слева горизонтально ориентированный поляризатор преимущественно передает эти отражения; поворот поляризатора на 90 ° (вправо), как при использовании поляризованных солнцезащитных очков, блокирует почти весь зеркально отраженный солнечный свет.
Можно проверить, поляризованы ли солнцезащитные очки, посмотрев через две пары, одна из которых перпендикулярна другой. Если оба поляризованы, весь свет будет заблокирован.

Неполяризованный свет после отражения от зеркальной (блестящей) поверхности обычно приобретает определенную степень поляризации. Это явление наблюдал в 1808 году математик Этьен-Луи Малюс , в честь которого назван закон Малюса . Поляризационные солнцезащитные очки используют этот эффект для уменьшения бликов от отражений от горизонтальных поверхностей, особенно от дороги впереди, если смотреть под углом.

Носители поляризованных солнцезащитных очков будут иногда наблюдать непреднамеренные эффекты поляризации, такие как цветозависимые эффекты двойного лучепреломления, например, в закаленном стекле (например, в окнах автомобилей) или изделиях из прозрачного пластика , в сочетании с естественной поляризацией за счет отражения или рассеяния. Поляризованный свет от ЖК-мониторов (см. Ниже) очень заметен при ношении на них.

Поляризация неба и фотография

Эффект поляризационного фильтра (изображение справа) на небе на фотографии

Поляризация наблюдается в свете неба , как это происходит из - за солнечного света , рассеянного на аэрозолях , как она проходит через атмосферу Земли . Рассеянный свет создает яркость и цвет в ясном небе. Эту частичную поляризацию рассеянного света можно использовать для затемнения неба на фотографиях, увеличения контрастности. Этот эффект наиболее сильно наблюдается в точках на небе, расположенных под углом 90 ° к Солнцу. Поляризационные фильтры используют эти эффекты для оптимизации результатов фотографирования сцен, в которых присутствует отражение или рассеяние небом. [19] : 346–347 [34] : 495–499

Поляризация неба использовалась для ориентации в навигации. Небо компас Pfund был использован в 1950 - х годах при плавании вблизи полюсов магнитного поля Земли , когда ни солнце , ни звезды были видны (например, при дневном облаке или сумерках ). Было высказано спорное мнение, что викинги использовали подобное устройство (« солнечный камень ») в своих обширных экспедициях через Северную Атлантику в IX – XI веках, до прибытия магнитного компаса из Азии в Европу в XII веке. . С небесным компасом связаны « полярные часы », изобретенные Чарльзом Уитстоном в конце 19 века. [35] : 67–69

Технологии отображения

Принцип технологии жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) основан на вращении оси линейной поляризации массивом жидких кристаллов. Свет от задней подсветки (или заднего отражающего слоя в устройствах, не включающих или не требующих подсветки) сначала проходит через лист с линейной поляризацией. Этот поляризованный свет проходит через фактический жидкокристаллический слой, который может быть организован в пикселях (для телевизора или компьютерного монитора) или в другом формате, таком как семисегментный дисплей или дисплей с пользовательскими символами для конкретного продукта. Жидкокристаллический слой создается с постоянной правосторонней (или левосторонней) хиральностью, по существу состоящий из крошечных спиралей . Это вызывает круговое двойное лучепреломление и спроектировано таким образом, что состояние линейной поляризации поворачивается на 90 градусов. Однако, когда к ячейке прикладывается напряжение, молекулы выпрямляются, уменьшая или полностью теряя круговое двойное лучепреломление. На стороне обзора дисплея находится еще один лист с линейной поляризацией, обычно ориентированный под углом 90 градусов от листа, находящегося за активным слоем. Следовательно, когда круговое двулучепреломление устраняется приложением достаточного напряжения, поляризация проходящего света остается под прямым углом к ​​переднему поляризатору, и пиксель кажется темным. Однако при отсутствии напряжения поворот поляризации на 90 градусов заставляет ее точно совпадать с осью переднего поляризатора, пропуская свет. Промежуточные напряжения создают промежуточное вращение оси поляризации, и пиксель имеет промежуточную интенсивность. Дисплеи, основанные на этом принципе, широко распространены и в настоящее время используются в подавляющем большинстве телевизоров, компьютерных мониторов и видеопроекторов, делая предыдущую технологию ЭЛТ существенно устаревшей. Использование поляризации в работе ЖК-дисплеев сразу становится очевидным для тех, кто носит поляризованные солнцезащитные очки, что часто делает дисплей нечитаемым.

В совершенно другом смысле поляризационное кодирование стало ведущим (но не единственным) методом доставки отдельных изображений на левый и правый глаз в стереоскопических дисплеях, используемых для фильмов 3D . Это включает в себя отдельные изображения, предназначенные для каждого глаза, либо проецируемые двумя разными проекторами с ортогонально ориентированными поляризационными фильтрами, либо, что более типично, от одного проектора с поляризацией, мультиплексированной по времени (устройство быстрой смены поляризации для последовательных кадров). Поляризованные 3D-очки с подходящими поляризационными фильтрами гарантируют, что каждый глаз получит только желаемое изображение. Исторически в таких системах использовалось кодирование с линейной поляризацией, поскольку оно было недорогим и предлагало хорошее разделение. Однако круговая поляризация делает разделение двух изображений нечувствительным к наклону головы и сегодня широко используется в 3D-кинопоказах, например, в системе от RealD . Для проецирования таких изображений требуются экраны, которые сохраняют поляризацию проецируемого света при просмотре в отражении (например, серебряные экраны ); обычный белый проекционный экран с рассеянным светом вызывает деполяризацию проецируемых изображений, что делает его непригодным для этого приложения.

Хотя в настоящее время дисплеи компьютеров с ЭЛТ являются устаревшими, они страдали от отражения от стеклянной оболочки, вызывая блики от комнатного света и, как следствие, плохую контрастность. Для решения этой проблемы было использовано несколько антибликовых решений. Одно решение использовало принцип отражения света с круговой поляризацией. Фильтр с круговой поляризацией перед экраном позволяет пропускать (скажем) только комнатный свет с правой круговой поляризацией. Теперь у света с правой круговой поляризацией (в зависимости от используемого соглашения ) направление электрического (и магнитного) поля вращается по часовой стрелке, распространяясь в направлении + z. После отражения поле все еще имеет то же направление вращения, но теперь оно распространяется в направлении -z, что делает отраженную волну левой круговой поляризацией. С правильным круговым поляризационным фильтром, расположенным перед отражающим стеклом, нежелательный свет, отраженный от стекла, будет, таким образом, находиться в состоянии очень поляризации, которое блокируется этим фильтром, устраняя проблему отражения. Обращение круговой поляризации при отражении и устранение отражений таким образом можно легко наблюдать, глядя в зеркало, надев трехмерные кинополяризационные очки, которые используют левую и правую круговую поляризацию в двух линзах. Закрыв один глаз, другой глаз увидит отражение, в котором не может видеть самого себя; эта линза кажется черной. Однако другая линза (закрытого глаза) будет иметь правильную круговую поляризацию, позволяющую видеть закрытый глаз открытым.

Радиопередача и прием

Все радио (и микроволновые) антенны, используемые для передачи или приема, по своей природе поляризованы. Они передают (или принимают сигналы) в определенной поляризации, будучи совершенно нечувствительными к противоположной поляризации; в некоторых случаях эта поляризация является функцией направления. Большинство антенн имеют номинальную линейную поляризацию, но возможны эллиптическая и круговая поляризация. Как принято в оптике, «поляризация» радиоволны понимается как относящаяся к поляризации ее электрического поля, при этом магнитное поле имеет поворот на 90 градусов относительно него для линейно поляризованной волны.

Подавляющее большинство антенн имеют линейную поляризацию. На самом деле можно показать , из соображений симметрии , что антенна , которая целиком лежит в плоскости , которая также включает в себя наблюдатель, может только иметь свою поляризацию в направлении этой плоскости. Это применимо ко многим случаям, позволяя легко сделать вывод о поляризации такой антенны в заданном направлении распространения. Таким образом , типичная крыша Yagi или логопериодического антенный с горизонтальными проводниками, как видно из второй станции к горизонту, обязательно с горизонтальной поляризацией. Но вертикальная « штыревая антенна » или вышка AM-вещания, используемая в качестве элемента антенны (опять же, для наблюдателей, смещенных от нее по горизонтали), будет передавать в вертикальной поляризации. Турникет антенна с ее четырьмя руками в горизонтальной плоскости, аналогично передает горизонтально поляризованное излучение к горизонту. Однако, когда та же самая антенна турникета используется в «осевом режиме» (вверх, для той же горизонтально ориентированной конструкции), ее излучение имеет круговую поляризацию. На промежуточных высотах он эллиптически поляризован.

Поляризация важна в радиосвязи, потому что, например, если кто-то попытается использовать антенну с горизонтальной поляризацией для приема передачи с вертикальной поляризацией, мощность сигнала будет существенно снижена (или, в очень контролируемых условиях, сведена к нулю). Этот принцип используется в спутниковом телевидении , чтобы удвоить пропускную способность канала в фиксированной полосе частот. Один и тот же частотный канал может использоваться для двух сигналов, передаваемых с противоположными поляризациями. Путем настройки приемной антенны на ту или иную поляризацию можно выбрать любой сигнал без помех от другого.

В частности, из-за наличия земли существуют некоторые различия в распространении (а также в отражениях, вызывающих двоение изображения на ТВ ) между горизонтальной и вертикальной поляризацией. Радиовещание AM и FM обычно использует вертикальную поляризацию, в то время как телевидение использует горизонтальную поляризацию. Горизонтальная поляризация избегается, особенно на низких частотах. Это потому, что фаза горизонтально поляризованной волны меняется на противоположную при отражении от земли. Удаленная станция в горизонтальном направлении будет принимать как прямую, так и отраженную волну, которые, таким образом, будут гасить друг друга. Этой проблемы можно избежать с помощью вертикальной поляризации. Поляризация также важна при передаче радиолокационных импульсов и приеме радиолокационных отражений той же или другой антенной. Например, обратного рассеяния радиолокационных импульсов каплями дождя можно избежать, используя круговую поляризацию. Подобно тому, как зеркальное отражение циркулярно поляризованного света меняет направление поляризации, как обсуждалось выше, тот же принцип применяется к рассеянию объектами, намного меньшими длины волны, такими как капли дождя. С другой стороны, отражение этой волны металлическим объектом неправильной формы (например, самолетом) обычно приводит к изменению поляризации и (частичному) приему обратной волны той же антенной.

Влияние свободных электронов в ионосфере в сочетании с магнитным полем Земли вызывает фарадеевское вращение , своего рода круговое двулучепреломление. Это тот же механизм, который может вращать ось линейной поляризации электронами в межзвездном пространстве, как упомянуто ниже . Величина фарадеевского вращения, вызванного такой плазмой, сильно преувеличена на более низких частотах, поэтому на более высоких микроволновых частотах, используемых спутниками, эффект минимален. Однако передачи средних или коротких волн, принимаемые после преломления ионосферой , сильно страдают. Поскольку путь волны через ионосферу и вектор магнитного поля Земли вдоль такого пути довольно непредсказуемы, волна, передаваемая с вертикальной (или горизонтальной) поляризацией, обычно будет иметь результирующую поляризацию в произвольной ориентации в приемнике.

Круговая поляризация через пластиковое окно самолета, 1989 г.

Поляризация и видение

Многие животные способны воспринимать некоторые компоненты поляризации света, например, линейный горизонтально поляризованный свет. Обычно это используется в навигационных целях, поскольку линейная поляризация небесного света всегда перпендикулярна направлению солнца. Эта способность очень распространена среди насекомых , в том числе пчел , которые используют эту информацию, чтобы ориентировать свои коммуникативные танцы . [35] : 102–103 Поляризационная чувствительность также наблюдалась у осьминогов , кальмаров , каракатиц и креветок-богомолов . [35] : 111–112 В последнем случае один вид измеряет все шесть ортогональных компонент поляризации и, как полагают, обладает оптимальным поляризационным зрением. [36] Быстро меняющиеся, ярко окрашенные кожные узоры каракатиц, используемые для общения, также включают поляризационные узоры, а у креветок-богомолов, как известно, есть поляризационно-селективная отражающая ткань. Считалось, что поляризация неба воспринимается голубями , что считалось одним из их помощников в самонаведении , но исследования показывают, что это популярный миф. [37]

Невооруженный человеческий глаз слабо чувствителен к поляризации, поэтому нет необходимости в промежуточных фильтрах. Поляризованный свет создает очень слабый узор около центра поля зрения, называемый кистью Хайдингера . Этот узор очень трудно увидеть, но с практикой можно научиться обнаруживать поляризованный свет невооруженным глазом. [35] : 118

Угловой момент с использованием круговой поляризации

Хорошо известно, что электромагнитное излучение несет в себе определенный линейный импульс в направлении распространения. Однако, кроме того, свет имеет определенный угловой момент, если он поляризован по кругу (или частично). По сравнению с более низкими частотами, такими как микроволны, количество углового момента в свете , даже чистой круговой поляризации, по сравнению с линейным импульсом той же волны (или радиационным давлением ) очень мало и трудно даже измерить. Однако он был использован в эксперименте для достижения скорости до 600 миллионов оборотов в минуту. [38] [39]

  • Деполяризатор (оптика)
  • Анизотропия флуоресценции
  • Призма Глана – Тейлора
  • Эффект Керра
  • Призма николя
  • Эффект поккельса
  • Вращатель поляризации
  • Микроскопия в поляризованном свете
  • Поляризатор
  • Polaroid (поляризатор)
  • Радиальная поляризация
  • Модель неба Рэлея
  • Волновая пластина

Цитированные ссылки

  1. ^ Шипман, Джеймс; Уилсон, Джерри Д.; Хиггинс, Чарльз А. (2015). Введение в физическую науку, 14-е изд . Cengage Learning. п. 187. ISBN. 978-1-305-54467-3.
  2. ^ Манкастер, Роджер (1993). Физика A-level . Нельсон Торнс. С. 465–467. ISBN 0-7487-1584-3.
  3. ^ Сингх, Деврадж (2015). Основы оптики, 2-е изд . PHI Learning Pvt. ООО п. 453. ISBN. 978-8120351462.
  4. ^ а б Авадханулу, М.Н. (1992). Учебник инженерной физики . С. Чанд Паблишинг. С. 198–199. ISBN 8121908175.
  5. ^ Десмаре, Луи (1997). Прикладная электрооптика . Pearson Education. С. 162–163. ISBN 0-13-244182-9.
  6. ^ Le Tiec, A .; Новак, Дж. (Июль 2016 г.). «Теория гравитационных волн». Обзор гравитационных волн . С. 1–41. arXiv : 1607.04202 . DOI : 10.1142 / 9789813141766_0001 . ISBN 978-981-314-175-9. S2CID  119283594 .
  7. ^ Липсон, Стивен Дж .; Липсон, Генри; Тангейзер, Дэвид Стефан (1995). Оптическая физика . Издательство Кембриджского университета. С. 125–127. ISBN 978-0-521-43631-1.
  8. ^ а б Уолдман, Гэри (2002). Введение в свет: физика света, зрения и цвета . Курьерская корпорация. С. 79–80. ISBN 978-0-486-42118-6.
  9. ^ Гриффитс, Дэвид Дж. (1998). Введение в электродинамику (3-е изд.). Прентис Холл. ISBN 0-13-805326-X.
  10. ^ Джеффри Нью (7 апреля 2011 г.). Введение в нелинейную оптику . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-139-50076-0.
  11. ^ Dorn, R .; Quabis, S. & Leuchs, G. (декабрь 2003 г.). «Более резкий фокус для радиально поляризованного светового луча». Письма с физическим обзором . 91 (23): 233901. Bibcode : 2003PhRvL..91w3901D . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.91.233901 . PMID  14683185 .
  12. ^ Чандрасекар, Субраманян (1960). Радиационный перенос . Дувр. п. 27 . ISBN 0-486-60590-6. OCLC  924844798 .
  13. ^ а б Sletten, Mark A .; Мак Лафлин, Дэвид Дж. (2005-04-15). «Радиолокационная поляриметрия». Ин Чанг, Кай (ред.). Энциклопедия радиотехники и микроволновой техники . John Wiley & Sons, Inc. doi : 10.1002 / 0471654507.eme343 . ISBN 978-0-471-65450-6.
  14. ^ Schrank, Helmut E .; Эванс, Гэри Э .; Дэвис, Дэниел (1990). "6 рефлекторных антенн" (PDF) . В Скольнике, Меррил Иван (ред.). Справочник по радарам (PDF) . Макгроу-Хилл. с. 6.30, рис. 6.25. ISBN 978-0-07-057913-2.
  15. ^ Исии, Т. Корю, изд. (1995). Справочник по микроволновой технологии . Том 2: Приложения. Эльзевир. п. 177. ISBN. 978-0-08-053410-7. |volume=есть дополнительный текст ( справка )
  16. ^ Волакис, Джон (2007). Справочник по проектированию антенн, четвертое издание . Макгроу-Хилл. П. 26.1. ISBN 9780071475747: Примечание : в отличие от других авторов, этот источник первоначально определяет эллиптичность взаимно, как отношение малой оси к большой, но затем продолжает говорить, что «хотя [оно] меньше единицы, при выражении эллиптичности в децибелах, знак минус часто опускается для удобства ", что по сути возвращается к определению, принятому другими авторами.CS1 maint: postscript ( ссылка )
  17. ^ Пракаш, Хари; Чандра, Нареш (1971). «Оператор плотности неполяризованного излучения». Physical Review . 4 (2): 796–799. Полномочный код : 1971PhRvA ... 4..796P . DOI : 10.1103 / PhysRevA.4.796 .
  18. ^ Чандрасекар, Субраманян (2013). Радиационный перенос . Курьер. п. 30.
  19. ^ а б в г д е Хехт, Юджин (2002). Оптика (4-е изд.). Соединенные Штаты Америки: Эддисон Уэсли. ISBN 0-8053-8566-5.
  20. ^ Эдвард Л. О'Нил (январь 2004 г.). Введение в статистическую оптику . Courier Dover Publications. ISBN 978-0-486-43578-7.
  21. ^ Eismann, JS; Николлс, LH; Рот, диджей; Алонсо, Массачусетс; Banzer, P .; Родригес-Фортуньо, ФЖ; Заяц, А.В.; Nori, F .; Блиох, Кентукки (2021 г.). «Поперечное вращение неполяризованного света» . Природа Фотоника . 15 (2): 156–161. arXiv : 2004.02970 . Bibcode : 2021NaPho..15..156E . DOI : 10.1038 / s41566-020-00733-3 . ISSN  1749-4885 . S2CID  215238513 .
  22. ^ Сугич, Даника; Деннис, Марк Р .; Нори, Франко; Блиох, Константин Ю. (23.12.2020). «Узловатые поляризации и спин в трехмерных полихроматических волнах» . Physical Review Research . 2 (4): 042045. arXiv : 2007.13307 . Bibcode : 2020PhRvR ... 2d2045S . DOI : 10.1103 / PhysRevResearch.2.042045 . ISSN  2643-1564 .
  23. ^ Деннис Гольдштейн; Деннис Х. Гольдштейн (3 января 2011 г.). Поляризованный свет, переработанный и расширенный . CRC Press. ISBN 978-0-203-91158-7.
  24. ^ Масуд Мансурипур (2009). Классическая оптика и ее приложения . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-88169-2.
  25. ^ Рэнди О. Уэйн (16 декабря 2013 г.). Световая и видео микроскопия . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-411536-1.
  26. ^ Питер М. Ширер (2009). Введение в сейсмологию . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-88210-1.
  27. ^ Сет Штайн; Майкл Визессион (1 апреля 2009 г.). Введение в сейсмологию, землетрясения и строение Земли . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-1-4443-1131-0.
  28. ^ Воллхардт, К. Питер С .; Шор, Нил Э. (2003). Органическая химия: структура и функции (4-е изд.). WH Freeman . С.  169–172 . ISBN 978-0-7167-4374-3.
  29. ^ Vlemmings, WHT (март 2007 г.). «Обзор мазерной поляризации и магнитных полей» . Труды Международного астрономического союза . 3 (S242): 37–46. arXiv : 0705.0885 . Bibcode : 2007IAUS..242 ... 37V . DOI : 10.1017 / s1743921307012549 .
  30. ^ Ханну Карттунен; Пекка Крёгер; Хейкки Оя (27 июня 2007 г.). Фундаментальная астрономия . Springer. ISBN 978-3-540-34143-7.
  31. ^ Boyle, Latham A .; Steinhardt, PJ; Турок, Н. (2006). «Инфляционные прогнозы для скалярных и тензорных колебаний пересмотрены». Письма с физическим обзором . 96 (11): 111301. arXiv : astro-ph / 0507455 . Bibcode : 2006PhRvL..96k1301B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.96.111301 . PMID  16605810 . S2CID  10424288 .
  32. ^ Тегмарк, Макс (2005). «Что на самом деле предсказывает инфляция?». Журнал космологии и физики астрономических частиц . 0504 (4): 001. arXiv : astro-ph / 0410281 . Bibcode : 2005JCAP ... 04..001T . DOI : 10.1088 / 1475-7516 / 2005/04/001 . S2CID  17250080 .
  33. ^ Кларк, С. (1999). «Поляризованный звездный свет и рука жизни». Американский ученый . 97 (4): 336–43. Bibcode : 1999AmSci..87..336C . DOI : 10.1511 / 1999.4.336 .
  34. ^ Бекефи, Джордж; Барретт, Алан (1977). Электромагнитные колебания, волны и излучения . США: MIT Press. ISBN 0-262-52047-8.
  35. ^ а б в г Дж. Дэвид Пай (13 февраля 2001 г.). Поляризованный свет в науке и природе . CRC Press. ISBN 978-0-7503-0673-7.
  36. ^ Соня Кляйнлогель; Эндрю Уайт (2008). «Тайный мир креветок: поляризационное видение в лучшем виде» . PLOS ONE . 3 (5): e2190. arXiv : 0804.2162 . Bibcode : 2008PLoSO ... 3,2190K . DOI : 10.1371 / journal.pone.0002190 . PMC  2377063 . PMID  18478095 .
  37. ^ Нубоэр, JFW; Coemans, M. a. JM; Вос Хзн, Дж. Дж. (1 февраля 1995 г.). «Нет данных о поляризационной чувствительности на электроретинограмме голубя» . Журнал экспериментальной биологии . 198 (2): 325–335. ISSN  0022-0949 . PMID  9317897 .
  38. ^ « „ Быстрый спиннинг объект“ , созданный» . BBC News . 2013-08-28 . Проверено 27 августа 2019 .
  39. ^ Дхолакия, Кишан; Мазилу, Михаил; Арита, Ёсихико (28 августа 2013 г.). «Лазерное вращение и охлаждение захваченного микрогироскопа в вакууме» . Nature Communications . 4 : 2374. Bibcode : 2013NatCo ... 4.2374A . DOI : 10.1038 / ncomms3374 . ЛВП : 10023/4019 . PMC  3763500 . PMID  23982323 .

Общие ссылки

  • Принципы оптики , 7-е издание, М. Борн и Э. Вольф, Кембриджский университет, 1999, ISBN  0-521-64222-1 .
  • Основы поляризованного света: подход статистической оптики , C. Brosseau, Wiley, 1998, ISBN  0-471-14302-2 .
  • Поляризованный свет, второе издание , Деннис Гольдштейн, Марсель Деккер, 2003 г., ISBN  0-8247-4053-X
  • Полевое руководство по поляризации , Эдвард Коллетт, SPIE Field Guides vol. FG05 , SPIE, 2005 г., ISBN  0-8194-5868-6 .
  • Поляризационная оптика в телекоммуникациях , Джей Н. Дамаск, Springer 2004, ISBN  0-387-22493-9 .
  • Поляризованный свет в природе , Г. П. Кённен, перевод Г. А. Бирлинга, Кембриджский университет, 1985, ISBN  0-521-25862-6 .
  • Поляризованный свет в науке и природе , Д. Пай , Институт физики, 2001 г., ISBN  0-7503-0673-4 .
  • Поляризованный свет, производство и использование , Уильям А. Шурклифф, Гарвардский университет, 1962.
  • Эллипсометрия и поляризованный свет , RMA Azzam и NM Bashara, Северная Голландия, 1977 г., ISBN  0-444-87016-4
  • Секреты мореплавателей-викингов - как викинги использовали свои удивительные солнечные камни и другие методы для пересечения открытых океанов , Лейф Карлсен, One Earth Press, 2003.

  • Лекция Фейнмана о поляризации
  • Поляризованный свет в природе и технике
  • Галерея цифровых изображений поляризованного света : микроскопические изображения, сделанные с использованием поляризационных эффектов.
  • Поляризация Университета Колорадо Физики 2000 : Анимированное объяснение поляризации
  • MathPages: Связь между спином фотона и поляризацией
  • Виртуальный поляризационный микроскоп
  • Угол поляризации в спутниковых антеннах .
  • Использование поляризаторов в фотографии
  • Молекулярные выражения: наука, оптика и вы - Поляризация света : интерактивное руководство по Java
  • Техническая группа SPIE по поляризации
  • Поляризация антенны
  • Анимации линейной, круговой и эллиптической поляризации на YouTube