Поляризация (волны) - Polarization (waves)

Для использования в других целях см. Поляризация.

Круговая поляризация на резиновой нити, преобразованная в линейную поляризацию

Поляризация (также поляризация) - свойство, относящееся к поперечный волны который определяет геометрическую ориентацию колебания.^{[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 продольные волны, такие как звуковые волны в жидкости или газе смещение частиц при колебаниях всегда происходит в направлении распространения, поэтому эти волны не проявляют поляризации. Поперечные волны с поляризацией включают: электромагнитные волны такие как свет и радиоволны, гравитационные волны,^[6] и поперечные звуковые волны (поперечные волны ) в твердых телах.

An электромагнитная волна например, свет состоит из связанных колебательных электрическое поле и магнитное поле которые всегда перпендикулярны друг другу; условно, «поляризация» электромагнитных волн относится к направлению электрического поля. В линейная поляризация поля колеблются в одном направлении. В круговой или эллиптическая поляризация поля вращаются с постоянной скоростью в плоскости по мере распространения волны. Вращение может иметь два возможных направления; если поля вращаются в правая рука в смысле направления распространения волны, это называется правая круговая поляризация, а если поля вращаются влево, это называется левая круговая поляризация.

Свет или другое электромагнитное излучение от многих источников, таких как солнце, пламя и т. Д. лампы накаливания, состоит из коротковолновых цугов с равной смесью поляризаций; это называется неполяризованный свет. Поляризованный свет можно получить, пропуская неполяризованный свет через поляризатор, что позволяет проходить волнам только одной поляризации. Наиболее распространенные оптические материалы не влияют на поляризацию света, однако некоторые материалы - те, которые проявляют двулучепреломление, дихроизм, или оптическая активность - по-разному воздействуют 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 с квантовая механика, электромагнитные волны также можно рассматривать как потоки частиц, называемые фотоны. С этой точки зрения поляризация электромагнитной волны определяется квантово-механическим свойством фотонов, которое называется их вращение.^[7][8] Фотон имеет один из двух возможных спинов: он может вращаться в правая рука чувство или чувство левой руки относительно направления его 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, беспроводное и оптическое волокно телекоммуникации, и радар.

Введение

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, проще просто рассмотреть когерентные плоские волны; это синусоидальные волны одного определенного направления (или волновой вектор ), 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 (так называемая угловой спектр ). Некогерентные состояния можно моделировать стохастически как взвешенная комбинация таких некоррелированных волн с некоторыми распространение частот (его спектр ), фазы и поляризации.

Поперечные электромагнитные волны

«Вертикально поляризованная» электромагнитная волна с длиной волны λ имеет вектор электрического поля E (красный) колеблется в вертикальном направлении. Магнитное поле B (или ЧАС) всегда находится под прямым углом к ​​нему (синий), и оба перпендикулярны направлению распространения (z).

Электромагнитные волны (например, свет), путешествие в свободное пространство или другое однородный изотропный не ослабляющий средние, правильно описаны как поперечные волны, что означает, что вектор электрического поля плоской волны E и магнитное поле ЧАС находятся в направлениях, перпендикулярных (или «поперечных») направлению распространения волны; E и ЧАС также перпендикулярны друг другу. По соглашению, направление «поляризации» электромагнитной волны задается вектором ее электрического поля. Учитывая монохромный плоская волна оптической частоты ж (свет вакуумной длины волны λ имеет частоту f = c / λ где c - скорость света), примем направление распространения в качестве z ось. Являясь поперечной волной, E и ЧАС поля должны содержать компоненты только в Икс и у направления, тогда как E_z = H_z = 0. С помощью сложный (или фазор ) обозначения мгновенные физические электрические и магнитные поля даются реальные части комплексных величин, входящих в следующие уравнения. Как функция времени т и пространственное положение z (поскольку для плоской волны в +z направление поля не зависят от Икс или у) эти сложные поля можно записать как:

${\displaystyle {\vec {E}}(z,t)={\begin{bmatrix}e_{x}\\e_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i2\pi \left({\frac {z}{\lambda }}-{\frac {t}{T}}\right)}={\begin{bmatrix}e_{x}\\e_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i(kz-\omega t)}}$

и

${\displaystyle {\vec {H}}(z,t)={\begin{bmatrix}h_{x}\\h_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i2\pi \left({\frac {z}{\lambda }}-{\frac {t}{T}}\right)}={\begin{bmatrix}h_{x}\\h_{y}\\0\end{bmatrix}}\;e^{i(kz-\omega t)}}$

где λ = λ₀/п это длина волны в среде (чья показатель преломления является п) и Т = 1/ж - период волны. Вот е_Икс, е_у, час_Икс, и час_у - комплексные числа. Во второй, более компактной форме, как обычно выражаются эти уравнения, эти факторы описываются с помощью волновое число ${\displaystyle k=2\pi n/\lambda _{0}}$ и угловая частота (или "радианная частота") ${\displaystyle \omega =2\pi f}$. В более общей формулировке с размножением не ограничено + z направления, то пространственная зависимость kz заменяется на ${\displaystyle {\vec {k}}\cdot {\vec {r}}}$ где ${\displaystyle {\vec {k}}}$ называется волновой вектор, величина которого - волновое число.

Таким образом, ведущие векторы е и час каждая из них содержит до двух ненулевых (комплексных) компонент, описывающих амплитуду и фазу волн Икс и у компоненты поляризации (опять же, не может быть z поляризационная составляющая для поперечной волны в +z направление). Для данной среды с характеристическое сопротивление ${\displaystyle \eta }$, час относится к е от:

${\displaystyle h_{y}={\frac {e_{x}}{\eta }}}$

и

${\displaystyle h_{x}=-{\frac {e_{y}}{\eta }}}$.

В диэлектрике η реально и имеет ценность η₀/п, где п - показатель преломления и η₀ это импеданс свободного пространства. Импеданс в проводящей среде будет сложным.^{[требуется разъяснение ]} Обратите внимание, что с учетом этой связи скалярное произведение E и ЧАС должно быть равно нулю:^{[сомнительный ]}

${\displaystyle {\vec {E}}\left({\vec {r}},t\right)\cdot {\vec {H}}\left({\vec {r}},t\right)=e_{x}h_{x}+e_{y}h_{y}+e_{z}h_{z}=e_{x}\left(-{\frac {e_{y}}{\eta }}\right)+e_{y}\left({\frac {e_{x}}{\eta }}\right)+0\cdot 0=0}$

указывая, что эти векторы ортогональный (под прямым углом друг к другу), как и ожидалось.

Итак, зная направление распространения (+z в этом случае) и η, можно точно так же задать волну в терминах е_Икс и е_у описывающее электрическое поле. Вектор, содержащий е_Икс и е_у (но без z составляющая, которая обязательно равна нулю для поперечной волны), известна как Вектор Джонса. Помимо указания состояния поляризации волны, общий вектор Джонса также определяет общую величину и фазу этой волны. В частности, интенсивность световой волны пропорциональна сумме квадратов величин двух компонент электрического поля:

${\displaystyle I=\left(\left|e_{x}\right|^{2}+\left|e_{y}\right|^{2}\right)\,{\frac {1}{2\eta }}}$

однако волна состояние поляризации зависит только от (сложного) соотношение из е_у к е_Икс. Итак, давайте просто рассмотрим волны, | e_Икс|² + | е_у|² = 1; это соответствует интенсивности около 0,00133 Вт на квадратный метр в свободном пространстве (где ${\displaystyle \eta =}$ ${\displaystyle \eta _{0}}$ ). А поскольку абсолютная фаза волны не важна при обсуждении ее состояния поляризации, оговоримся, что фаза волны е_Икс равно нулю, другими словами е_Икс это реальное число, а е_у может быть сложным. Согласно этим ограничениям, е_Икс и е_у можно представить следующим образом:

${\displaystyle e_{x}={\sqrt {\frac {1+Q}{2}}}}$

${\displaystyle e_{y}={\sqrt {\frac {1-Q}{2}}}\,e^{i\phi }}$

где состояние поляризации теперь полностью параметризовано значением Q (такое, что −1 < Q <1) и относительная фаза ${\displaystyle \phi }$.

Непоперечные волны

Помимо поперечных волн, существует множество волновых движений, в которых колебания не ограничиваются направлениями, перпендикулярными направлению распространения. Эти случаи далеко выходят за рамки текущей 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 не затухающей среде, тогда как в анизотропный В среде (например, двулучепреломляющие кристаллы, как обсуждается ниже) электрическое или магнитное поле может иметь как продольные, так и поперечные компоненты. В тех случаях электрическое перемещение D и плотность магнитного потока B^{[требуется разъяснение ]} по-прежнему подчиняются указанной выше геометрии, но из-за анизотропии в электрическая восприимчивость (или в магнитная проницаемость ), теперь задается тензор, направление E (или ЧАС) может отличаться от D (или B). Даже в изотропных средах так называемые неоднородные волны может быть запущен в среду, показатель преломления которой имеет значительную мнимую часть (или "коэффициент экстинкции ") такие как металлы;^{[требуется разъяснение ]} эти поля также не являются строго поперечными.^{[9]:179–184[10]:51–52} Поверхностные волны или волны, распространяющиеся в волновод (например, оптоволокно ) обычно не поперечные волны, но могут быть описаны как электрические или магнитные поперечная мода, или гибридный режим.

Даже в свободном пространстве продольные компоненты поля могут генерироваться в фокальных областях, где приближение плоской волны не работает. Крайний пример - радиально или тангенциально поляризованный свет, в фокусе которого соответственно возникает электрическое или магнитное поле. полностью продольные (по направлению распространения).^[11]

Для продольные волны такие как звуковые волны в жидкости, направление колебаний по определению совпадает с направлением движения, поэтому вопрос о поляризации обычно даже не упоминается. С другой стороны, звуковые волны в большом количестве твердый может быть как поперечным, так и продольным, всего с тремя компонентами поляризации. В этом случае поперечная поляризация связана с направлением напряжение сдвига и смещение в направлениях, перпендикулярных направлению распространения, в то время как продольная поляризация описывает сжатие твердого тела и вибрацию вдоль направления распространения. Дифференциальное распространение поперечной и продольной поляризаций важно в сейсмология.

Состояние поляризации

Дальнейшая информация: Линейная поляризация, Круговая поляризация, и Эллиптическая поляризация

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 составляет 10¹⁵ раз быстрее). Поле осциллирует в х-у плоскости, вдоль страницы, с волной, распространяющейся в z направление, перпендикулярное странице. Первые две диаграммы ниже показывают вектор электрического поля в течение полного цикла для линейной поляризации в двух различных ориентациях; каждый из них считается отдельным состояние 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.

Анимация, показывающая четыре различных состояния поляризации и две ортогональные проекции.

Волна с круговой поляризацией как сумма двух линейно поляризованных составляющих, сдвинутых по фазе на 90 °

Теперь, если ввести сдвиг фазы между этими горизонтальными и вертикальными компонентами поляризации обычно получается эллиптическая поляризация.^[12] как показано на третьем рисунке. Когда фазовый сдвиг составляет точно ± 90 °, тогда круговая поляризация производится (четвертая и пятая цифры). Таким образом, на практике создается круговая поляризация, начиная с линейно поляризованного света и используя четвертьволновая пластинка ввести такой фазовый сдвиг. Результат двух таких сдвинутых по фазе компонентов в создании вектора вращающегося 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 Икс и у оси, используемые в этом описании, произвольны. Выбор такой системы координат и рассмотрение эллипса поляризации через Икс и у компоненты поляризации, соответствует определению вектора Джонса (ниже) в терминах тех основа поляризации. Обычно оси выбирают для решения конкретной задачи, например Икс находясь в плоскости падения. Поскольку существуют отдельные коэффициенты отражения для линейных поляризаций в и ортогональной плоскости падения (п и s поляризации, см. ниже), этот выбор значительно упрощает расчет отражения волны от поверхности.

Кроме того, в качестве базисных функций можно использовать Любые пара ортогональный состояния поляризации, а не только линейные поляризации. Например, выбор правой и левой круговых поляризаций в качестве базовых функций упрощает решение проблем, связанных с круговым двулучепреломлением (оптической активностью) или круговым дихроизмом.

Эллипс поляризации

Основная статья: Эллипс поляризации

Рассмотрим чисто поляризованную монохроматическую волну. Если бы нужно было построить вектор электрического поля в течение одного цикла колебаний, то, как правило, был бы получен эллипс, как показано на рисунке, соответствующий конкретному состоянию эллиптическая поляризация. 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 «направленности», то есть независимо от того, происходит ли вращение вокруг эллипса по часовой стрелке или против часовой стрелки. Одна параметризация эллиптической фигуры определяет угол ориентации ψ, определяемый как угол между большой осью эллипса и Икс-ось^[13] вместе с эллиптичность ε = a / b, отношение большой оси эллипса к малой.^[14][15][16] (также известный как осевое отношение ). Параметр эллиптичности - это альтернативная параметризация эллипса. эксцентриситет ${\displaystyle e={\sqrt {1-b^{2}/a^{2}}}}$, или угол эллиптичности, χ = arctan b / a = arctan 1 / ε, как показано на рисунке.^[13] Угол χ также имеет значение, поскольку 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

Основная статья: 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 в виде двумерного сложный вектор ( Вектор Джонса ):

${\displaystyle \mathbf {e} ={\begin{bmatrix}a_{1}e^{i\theta _{1}}\\a_{2}e^{i\theta _{2}}\end{bmatrix}}.}$

Вот ${\displaystyle a_{1}}$ и ${\displaystyle a_{2}}$ обозначают амплитуду волны в двух компонентах вектора электрического поля, а ${\displaystyle \theta _{1}}$ и ${\displaystyle \theta _{2}}$ представляют фазы. Произведение вектора Джонса на комплексное число единицы модуль дает другой вектор Джонса, представляющий тот же эллипс и, следовательно, такое же состояние поляризации. Физическое электрическое поле как действительная часть вектора Джонса изменится, но само состояние поляризации не зависит от абсолютная фаза. В основа векторы, используемые для представления вектора Джонса, не обязательно должны представлять состояния линейной поляризации (т.е. быть настоящий ). В общем любые два ортогональные состояния может использоваться, где ортогональная векторная пара формально определяется как пара, имеющая нулевой внутренний продукт. 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 сигнальных трактах 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 допускает определенную степень свободы, а именно вращение вокруг направления распространения. При рассмотрении света, который распространяется 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 астрономия то экваториальная система координат вместо этого обычно используется с нулевым азимутом (или позиционным углом, как его чаще называют в астрономии, чтобы избежать путаницы с горизонтальная система координат ) соответствует правильному северу.

s и п обозначения

Воспроизвести медиа

Электромагнитные векторы для ${\textstyle {\textbf {E}}}$, ${\textstyle {\textbf {B}}}$ и ${\textstyle {\textbf {k}}}$ с участием ${\textstyle {\textbf {E}}={\textbf {E}}(x,y)}$ вместе с 3 плоскими выступами и деформационной поверхностью полного электрического поля. Свет всегда s-поляризован в плоскости xy. ${\textstyle \theta }$ полярный угол ${\textstyle {\textbf {k}}}$ и ${\textstyle \varphi _{E}}$ азимутальный угол ${\textstyle {\textbf {E}}}$.

Другая часто используемая система координат относится к плоскость 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 п-как (параллельный), а компонент, перпендикулярный этой плоскости, называется s-как (от Senkrecht, Немецкий - перпендикуляр). Таким образом, поляризованный свет с его электрическим полем вдоль плоскости падения обозначается p-поляризованный, а свет, электрическое поле которого перпендикулярно плоскости падения, называется s-поляризованный. п поляризацию обычно называют поперечно-магнитный (TM), также был назван пи-поляризованный или тангенциальная плоскость поляризованная. S поляризация также называется поперечно-электрический (TE), а также сигма-поляризованный или сагиттальная плоскость поляризованная.

Неполяризованный и частично поляризованный свет

Определение

Естественный свет, как и большинство других распространенных источников видимого света, бессвязный: излучение создается независимо большим количеством атомов или молекул, чьи выбросы некоррелированный и вообще случайных поляризаций. В этом случае говорят, что свет неполяризованный. Этот термин в некоторой степени 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 луч, который на самом деле в полной мере поляризованный в каждой точке, но в котором поляризация изменяется так быстро в луче, что ее можно игнорировать в предполагаемых приложениях.

Неполяризованный свет можно описать как смесь двух независимых противоположно поляризованных потоков, каждый с половиной интенсивности.^[17][18] Говорят, что свет частично поляризованный 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 степень поляризации и параметры поляризованной компоненты. 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 векторами Джонса и матрицами 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 рассеяние волн от сложных поверхностей или ансамблей частиц, как это будет теперь представлено.^{[19]:377–379}

Матрица когерентности

Вектор Джонса прекрасно описывает состояние поляризации. и фаза одиночной монохроматической волны, представляющей чистое состояние поляризации, как описано выше. Однако любая смесь волн разной поляризации (или даже разных частот) делает не соответствуют вектору Джонса. В так называемом частично поляризованном излучении поля равны стохастический, а вариации и корреляции между компонентами электрического поля можно описать только статистически. Одним из таких представлений является согласованность матрица:^{[20]:137–142}

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathbf {\Psi } &=\left\langle \mathbf {e} \mathbf {e} ^{\dagger }\right\rangle \\&=\left\langle {\begin{bmatrix}e_{1}e_{1}^{*}&e_{1}e_{2}^{*}\\e_{2}e_{1}^{*}&e_{2}e_{2}^{*}\end{bmatrix}}\right\rangle \\&=\left\langle {\begin{bmatrix}a_{1}^{2}&a_{1}a_{2}e^{i\left(\theta _{1}-\theta _{2}\right)}\\a_{1}a_{2}e^{-i\left(\theta _{1}-\theta _{2}\right)}&a_{2}^{2}\end{bmatrix}}\right\rangle \end{aligned}}}$

где угловые скобки обозначают усреднение по многим волновым циклам. Было предложено несколько вариантов матрицы когерентности: Винер матрица когерентности и матрица спектральной когерентности Ричард Баракат измерить согласованность спектральное разложение сигнала, а Волк Матрица когерентности усредняет по всем временам / частотам.

Матрица когерентности содержит всю статистическую информацию второго порядка о поляризации. Эту матрицу можно разложить на сумму двух идемпотент матрицы, соответствующие собственные векторы матрицы когерентности, каждое 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. В последнем случае возникает понятие «степень поляризации»; т.е. доля от полной интенсивности, вносимая полностью поляризованной составляющей.

Параметры Стокса

Основная статья: Параметры Стокса

Матрицу когерентности непросто визуализировать, поэтому некогерентное или частично поляризованное излучение принято описывать с точки зрения его общей интенсивности (я), (дробная) степень поляризации (п) и параметры формы эллипса поляризации. Альтернативное и математически удобное описание дает Параметры Стокса, представлен Джордж Габриэль Стоукс в 1852 г. Связь параметров Стокса с параметрами эллипса интенсивности и поляризации показана в уравнениях и на рисунке ниже.

${\displaystyle S_{0}=I\,}$

${\displaystyle S_{1}=Ip\cos 2\psi \cos 2\chi \,}$

${\displaystyle S_{2}=Ip\sin 2\psi \cos 2\chi \,}$

${\displaystyle S_{3}=Ip\sin 2\chi \,}$

Вот 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, фактам, 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 я, Q, U и V.

Сфера Пуанкаре

Пренебрегая первым параметром Стокса S₀ (или я), три других параметра Стокса могут быть построены непосредственно в трехмерных декартовых координатах. Для данной мощности в поляризованной составляющей, заданной формулой

${\displaystyle P={\sqrt {S_{1}^{2}+S_{2}^{2}+S_{3}^{2}}}}$

набор всех состояний поляризации затем отображается в точки на поверхности так называемого Сфера Пуанкаре (но радиуса п), как показано на прилагаемой диаграмме.

Сфера Пуанкаре, на которой или ниже которой три параметра Стокса [S₁, S₂, S₃] (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 общую интенсивность. S₀:

${\displaystyle \mathbf {S'} ={\frac {1}{S_{0}}}{\begin{bmatrix}S_{0}\\S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\end{bmatrix}}.}$

Нормализованный вектор Стокса ${\displaystyle \mathbf {S'} }$ то имеет мощность единицы (${\displaystyle S'_{0}=1}$), а три значимых параметра Стокса, построенные в трех измерениях, будут лежать на сфере Пуанкаре единичного радиуса для чистых состояний поляризации (где ${\displaystyle P'_{0}=1}$). Частично поляризованные состояния будут лежать внутри сфера Пуанкаре на расстоянии ${\displaystyle P'={\sqrt {S_{1}'^{2}+S_{2}'^{2}+S_{3}'^{2}}}}$ от происхождения. Когда неполяризованный компонент не представляет интереса, вектор Стокса можно дополнительно нормализовать, чтобы получить

${\displaystyle \mathbf {S''} ={\frac {1}{P'}}{\begin{bmatrix}1\\S'_{1}\\S'_{2}\\S'_{3}\end{bmatrix}}={\frac {1}{P}}{\begin{bmatrix}S_{0}\\S_{1}\\S_{2}\\S_{3}\end{bmatrix}}.}$

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

Любые две антиподальные точки на сфере Пуанкаре относятся к состояниям ортогональной поляризации. В перекрывать между любыми двумя состояниями поляризации зависит исключительно от расстояния между их положениями 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 для большинства инженеров предполагается, 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.

Последствия для отражения и распространения

Поляризация при распространении волн

В вакуум, компоненты электрического поля распространяются по скорость света, так что фаза волны меняется в пространстве и во времени, а состояние поляризации - нет. То есть вектор электрического поля е плоской волны в +z направление следующее:

${\displaystyle \mathbf {e} (z+\Delta z,t+\Delta t)=\mathbf {e} (z,t)e^{ik(c\Delta t-\Delta z)},}$

где k это волновое число. Как отмечалось выше, мгновенное электрическое поле - это действительная часть произведения вектора Джонса на фазовый фактор. ${\displaystyle e^{-i\omega t}}$. Когда электромагнитная волна взаимодействует с веществом, ее распространение изменяется в зависимости от (комплекса) материала. показатель преломления. Когда действительная или мнимая часть этого показателя преломления зависит от состояния поляризации волны, свойства, известные как двулучепреломление и поляризация дихроизм (или диаттенуация ) соответственно, то состояние поляризации волны, как правило, будет изменено.

В таких средах электромагнитная волна с любым заданным состоянием поляризации может быть разложена на две ортогонально поляризованные компоненты, которые сталкиваются с разными постоянные распространения. Влияние распространения по заданной трассе на эти два компонента легче всего охарактеризовать в виде сложного 2 × 2 трансформация матрица J известный как Матрица Джонса:

${\displaystyle \mathbf {e'} =\mathbf {J} \mathbf {e} .}$

Матрица Джонса из-за прохождения через прозрачный материал зависит от расстояния распространения, а также от двойного лучепреломления. Двулучепреломление (а также средний показатель преломления) обычно составляет диспергирующий, то есть она будет изменяться в зависимости от оптической частоты (длины волны). Однако в случае материалов, не обладающих двойным лучепреломлением, матрица Джонса 2 × 2 представляет собой единичную матрицу (умноженную на скалярную фазовый фактор и коэффициент затухания), что означает отсутствие изменения поляризации во время распространения.

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

${\displaystyle \mathbf {J} =\mathbf {T} {\begin{bmatrix}g_{1}&0\\0&g_{2}\end{bmatrix}}\mathbf {T} ^{-1},}$

где г₁ и г₂ комплексные числа, описывающие фазовая задержка и, возможно, ослабление амплитуды из-за распространения в каждой из двух собственных мод поляризации. Т это унитарная матрица представляет изменение базиса от этих режимов распространения к линейной системе, используемой для векторов Джонса; в случае линейного двулучепреломления или диаттенуации моды сами являются состояниями линейной поляризации, поэтому Т и Т⁻¹ можно не указывать, если оси координат выбраны правильно.

Двулучепреломление

Основная статья: Двулучепреломление

В СМИ называется двулучепреломляющий, в котором амплитуды неизменны, но имеет место дифференциальная фазовая задержка, матрица Джонса представляет собой унитарная матрица: |г₁| = |г₂| = 1. Среда, называемая диаттенюирующей (или дихроичный в смысле поляризации), в которой по-разному влияют только амплитуды двух поляризаций, можно описать с помощью Эрмитова матрица (обычно умножается на общий фазовый коэффициент). Фактически, поскольку Любые 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.

Цветовой рисунок пластиковой коробки, показывающий двойное лучепреломление, вызванное стрессом при размещении между двумя скрещенными поляризаторы.

В среде с двойным лучепреломлением затухания нет, но два режима накапливают дифференциальную фазовую задержку. Хорошо известные проявления линейного двулучепреломления (т. Е. Когда базисными поляризациями являются ортогональные линейные поляризации) проявляются в оптических волновые пластины / замедлители схватывания и много кристаллов. Если линейно поляризованный свет проходит через двулучепреломляющий материал, его состояние поляризации обычно изменяется, если только его направление поляризации идентично одной из этих базисных 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 оптическая активность, особенно в хиральный жидкости, или Вращение Фарадея, когда из-за наличия 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 сферы 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 эллиптического 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 в сфере Пуанкаре вокруг оси, определяемой модами распространения. Примеры линейных (синий), круглых (красный) и эллиптических (желтый) двулучепреломление показаны на рисунке слева. Общая интенсивность и степень поляризации не изменяются. Если длина пути в двулучепреломляющей среде достаточна, две поляризационные компоненты коллимированного пучка (или луч ) могут выходить из материала с позиционным смещением, даже если их окончательные направления распространения будут одинаковыми (при условии, что входная и выходная грани параллельны). Обычно это просматривается с помощью кальцит кристаллы, которые представляют зрителю два слегка смещенных изображения в противоположных поляризациях объекта за кристаллом. Именно этот эффект явился первым открытием поляризации. Эразм Бартолинус в 1669 г.

Дихроизм

Среды, в которых предпочтительно снижается передача одной моды поляризации, называются дихроичный или диаттенуирующий. 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 г₂= 0 в приведенном выше представлении матрицы Джонса. Выход 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 г₁= 1 и г₂= 0) сохраняется ровно половина его начальной мощности. Практические поляризаторы, особенно недорогие листовые поляризаторы, имеют дополнительные потери, так чтог₁ <1. Однако во многих случаях более значимым показателем качества является способность поляризатора степень поляризации или коэффициент вымирания, которые включают сравнение г₁ к г₂. Поскольку векторы Джонса относятся к амплитудам волн (а не к интенсивность ), при освещении неполяризованным светом оставшаяся мощность в нежелательной поляризации будет (г₂/г₁)² мощности в предполагаемой поляризации.

Зеркальное отражение

В дополнение к двойному лучепреломлению и дихроизму в протяженных средах, поляризационные эффекты, описываемые с помощью матриц Джонса, могут также возникать на (отражающей) границе между двумя материалами разных показатель преломления. Эти эффекты лечатся Уравнения Френеля. Часть волны передается, а часть отражается; для данного материала эти пропорции (а также фаза отражения) зависят от угол падения и разные для s и п поляризации. Следовательно, состояние поляризации отраженного света (даже если изначально неполяризовано) обычно изменяется.

Стопка пластин под углом Брюстера к лучу отражается от части света. s-поляризованный свет на каждой поверхности, оставляющий (после множества таких пластин) в основном п-поляризованный пучок.

Любой свет, падающий на поверхность под особым углом падения, известным как Угол Брюстера, где коэффициент отражения для п поляризация равна нулю, будет отражаться только s-поляризация осталась. Этот принцип используется в так называемом «поляризаторе из стопки пластин» (см. Рисунок), в котором часть поляризатора s поляризация устраняется отражением на каждой угловой поверхности Брюстера, оставляя только п поляризация после прохождения через многие такие поверхности. Как правило, меньший коэффициент отражения п поляризация также является основой поляризованные солнцезащитные очки; заблокировав s (горизонтальная) поляризация, большая часть бликов из-за отражения, например, от мокрой улицы, удаляется.^{[19]:348–350}

В важном частном случае отражения при нормальном падении (не связанном с анизотропными материалами) особого s или п поляризация. Оба Икс и у компоненты поляризации отражаются одинаково, поэтому поляризация отраженной волны идентична поляризации падающей волны. Однако в случае круговой (или эллиптической) поляризации направленность состояния поляризации меняется на противоположную, поскольку соглашение это указывается относительно направления распространения. Круговое вращение электрического поля вокруг х-у топоры, названные "правыми" за волну в + z направление "левое" для волны в -z направление. 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 п компоненты поляризации.

Методы измерения с использованием 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 инженерное дело, феномен двойное лучепреломление, вызванное стрессом позволяет легко наблюдать напряжения в прозрачных материалах. Как отмечалось выше и видно на прилагаемой фотографии, цветность двулучепреломления обычно создает цветные узоры при просмотре между двумя поляризаторами. При приложении внешних сил наблюдается внутреннее напряжение, создаваемое в материале. Кроме того, часто наблюдается двойное лучепреломление из-за напряжений, «замороженных» во время изготовления. Это замечательно наблюдается в целлофан лента, двойное лучепреломление которой связано с растяжением материала в процессе производства.

Эллипсометрия

Основная статья: 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 тонкая пленка слоев, нанесенных на подложку. Благодаря их свойства отражения, не только прогнозируемая величина п и s компоненты поляризации, но 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 п и s отражения, а также изменение эллиптичности поляризации (отсюда и название), возникающее при отражении от исследуемой поверхности. Помимо использования в науке и исследованиях, используются эллипсометры. на месте например, для управления производственными процессами.^{[21]:585ff[22]:632}

Геология

Микрофотография вулканический песчинка; верхнее изображение - плоско-поляризованный свет, нижнее изображение - кросс-поляризованный свет, шкала слева по центру - 0,25 миллиметра.

Свойство (линейного) двулучепреломления широко распространено в кристаллических минералы, и действительно сыграл решающую роль в первоначальном открытии поляризации. В минералогия, это свойство часто используется с помощью поляризации микроскопы, с целью идентификации полезных ископаемых. Увидеть оптическая минералогия Больше подробностей.^{[23]:163–164}

Звуковые волны в твердых материалах обладают поляризацией. Дифференциальное распространение трех поляризаций через Землю имеет решающее значение в области сейсмология. Сейсмические волны с горизонтальной и вертикальной поляризацией (поперечные волны ) называются SH и SV, а волны с продольной поляризацией (волны сжатия ) называются зубцами Р.^{[24]:48–50[25]:56–57}

Химия

Мы видели (выше), что двойное лучепреломление типа кристалла полезно для его идентификации, и, таким образом, обнаружение линейного двойного лучепреломления особенно полезно в геология и минералогия. 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. Точно так же 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 правша и левша энантиомеры такой молекулы присутствуют в равном количестве (так называемый рацемический смесь), то их эффекты отменяются. Однако, когда есть только один (или преобладающий один), как это чаще бывает в случае Органические молекулы, чистое круговое двулучепреломление (или оптическая активность ), обнаруживая величину этого дисбаланса (или концентрацию самой молекулы, когда можно предположить, что присутствует только один энантиомер). Это измеряется с помощью поляриметр 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[26]}

Астрономия

Основная статья: Поляризация в астрономии

Во многих областях астрономия, исследование поляризованного электромагнитного излучения от космическое пространство имеет большое значение. Хотя обычно это не фактор тепловое излучение из звезды поляризация присутствует и в излучении когерентных астрономические источники (например, гидроксил или метанол мазеры ) и некогерентных источников, таких как большие радиодоли в активных галактиках, и радиоизлучение пульсаров (которое, как предполагается, иногда может быть когерентным), а также накладывается на звездный свет из-за рассеяния от межзвездная пыль. Помимо предоставления информации об источниках излучения и рассеяния, поляризация также исследует межзвездное магнитное поле через Вращение Фарадея.^{[27]:119,124[28]:336–337} Поляризация космический микроволновый фон используется для изучения физики очень ранней Вселенной.^[29][30] Синхротронное излучение по своей природе поляризован. Было высказано предположение, что астрономические источники вызвали хиральность биологических молекул на Земле.^[31]

Приложения и примеры

Поляризованные солнцезащитные очки

Влияние поляризатора на отражение от грязевых отмелей. На изображении слева горизонтально ориентированный поляризатор преимущественно передает эти отражения; вращая поляризатор на 90 ° (справа), как можно видеть в поляризованных солнцезащитных очках, почти все зеркально отраженный Солнечный лучик.

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, после кого Закон малуса называется. Поляризационный темные очки используйте этот эффект, чтобы уменьшить блики от отражений от горизонтальных поверхностей, особенно от дороги впереди, если смотреть под углом.

Владельцы поляризованных солнцезащитных очков могут иногда наблюдать непреднамеренные эффекты поляризации, такие как цветозависимые эффекты двойного лучепреломления, например, в закаленное стекло (например, автомобильные окна) или предметы из прозрачного пластмассы, в сочетании с естественной поляризацией за счет отражения или рассеяния. Поляризованный свет ЖК-мониторов (см. Ниже) очень заметен при ношении.

Поляризация неба и фотография

Дальнейшая информация: Поляризационный фильтр (Фотография)

Эффекты поляризационный фильтр (правое изображение) на небе на фотографии

Поляризация наблюдается в свете небо, так как это связано с солнечным светом разбросанный от аэрозоли как он проходит через Атмосфера Земли. В разбросанный свет создает яркость и цвет в ясном небе.Эту частичную поляризацию рассеянного света можно использовать для затемнения неба на фотографиях, увеличивая контраст. 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[32]:495–499}

Поляризация неба использовалась для ориентации в навигации. В Небесный компас Pfund использовался в 1950-х годах при навигации вблизи полюсов Магнитное поле Земли когда ни солнце ни звезды были видны (например, в дневное время облако или сумерки ). Было высказано предположение, спорно, что Викинги эксплуатировал подобное устройство ("солнечный камень ") в своих обширных экспедициях по Североатлантический в IX – XI веках, до прихода магнитный компас из Азии в Европу в 12 веке. С небесным компасом связан символ "полярные часы ", изобретенный Чарльз Уитстон в конце 19 века.^[33]:67–69

Технологии отображения

Принцип жидкокристаллический экран Технология (LCD) основана на вращении оси линейной поляризации жидкокристаллической решеткой. Свет от подсветка (или задний отражающий слой в устройствах, не включающих или не требующих подсветки) сначала проходит через лист с линейной поляризацией. Этот поляризованный свет проходит через фактический слой жидких кристаллов, который может быть организован в пикселях (для телевизора или монитора компьютера) или в другом формате, таком как семисегментный дисплей или один с пользовательскими символами для конкретного продукта. Жидкокристаллический слой создается с постоянной правосторонней (или левосторонней) хиральностью, по существу состоящий из крошечных спирали. Это вызывает круговое двойное лучепреломление и спроектировано так, что имеется поворот на 90 градусов состояния линейной поляризации. Однако, когда к ячейке прикладывается напряжение, молекулы выпрямляются, уменьшая или полностью теряя круговое двойное лучепреломление. На обзорной стороне дисплея находится еще один лист с линейной поляризацией, обычно ориентированный под углом 90 градусов от листа, находящегося за активным слоем. Следовательно, когда круговое двойное лучепреломление 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 теперь используются в подавляющем большинстве телевизоров, компьютерных мониторов и видеопроекторов, отображая предыдущие ЭЛТ технология принципиально устарела. Использование поляризации в работе ЖК-дисплеев сразу очевидно 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 для левого и правого глаза в стереоскопический дисплеи, используемые для 3D фильмы. 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 предполагаемое 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 страдают от отражения от стеклянной оболочки, вызывая блики от комнатного света и, как следствие, плохую контрастность. Для решения этой проблемы было использовано несколько антибликовых решений. В одном решении использовался принцип отражения света с круговой поляризацией. Фильтр с круговой поляризацией перед экраном позволяет пропускать (скажем) только комнатный свет с правой круговой поляризацией. Теперь свет с правой круговой поляризацией (в зависимости от соглашение used) имеет направление электрического (и магнитного) поля, вращающегося по часовой стрелке, при распространении в направлении + z. После отражения поле все еще имеет то же направление вращения, но теперь оно распространяется в направлении -z, поэтому отраженная волна осталось циркулярно поляризованный. С правильным круговым поляризационным фильтром, размещенным перед отражающим стеклом, нежелательный свет, отраженный от стекла, будет таким образом находиться в состоянии очень поляризации, т.е. заблокирован этим фильтром, устраняя проблему отражения. Обращение круговой поляризации при отражении и устранение отражений таким образом можно легко наблюдать, глядя в зеркало, надев трехмерные кинопокрытия, в которых используется левая и правая круговая поляризация 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, чтобы закрытый глаз был легко заметен открытым.

Радиопередача и прием

Смотрите также: Антенна (радио) § Поляризация

Все радио (и микроволновка) 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 номинально имеют 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. Фактически, из соображений симметрии можно показать, что антенна, полностью лежащая в плоскости, которая также включает в себя наблюдателя, может только имеют поляризацию в направлении этой плоскости. Это относится ко многим случаям, позволяя легко сделать вывод о поляризации такой антенны в заданном направлении распространения. Так типичная крыша Яги или логопериодическая антенна с горизонтальными проводниками, если смотреть со второй станции по направлению к горизонту, обязательно имеет горизонтальную поляризацию. Но вертикаль "штыревая антенна "или башня AM-вещания, используемая в качестве элемента антенны (опять же, для наблюдателей, смещенных от нее по горизонтали), будет передавать в вертикальной поляризации. A антенна турникета с его четырьмя рукавами в горизонтальной плоскости, также 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 спутниковое телевидение чтобы удвоить пропускную способность канала в фиксированной полосе частот. Один и тот же частотный канал может использоваться для двух сигналов, передаваемых с противоположными поляризациями. Регулируя приемную антенну для той или иной поляризации, можно выбрать любой сигнал без помех от другого.

Особенно из-за наличия земля, есть некоторые различия в распространении (а также в отражениях, отвечающих за ТВ привидение ) между горизонтальной и вертикальной поляризациями. Радиовещание AM и FM обычно использует вертикальную поляризацию, в то время как телевидение использует горизонтальную поляризацию. Горизонтальная поляризация избегается, особенно на низких частотах. Это происходит 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, имеют тенденцию гасить друг друга. Этой проблемы можно избежать с помощью вертикальной поляризации. Поляризация также важна для передачи радар импульсов и приема 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 направленность 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.

Эффект свободные электроны в ионосфера, в сочетании с магнитное поле земли, причины Вращение Фарадея, своего рода круговое двулучепреломление. Это тот же механизм, который может вращать ось линейной поляризации электронами в межзвездное пространство как уже упоминалось ниже. Величина фарадеевского вращения, вызванного такой плазмой, сильно преувеличена на более низких частотах, поэтому на более высоких микроволновых частотах, используемых спутниками, эффект минимален. Однако средний или короткая волна передачи получены после преломление ионосферой сильно пострадали. 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 зрение

Много животные способны воспринимать некоторые компоненты поляризации света, например линейный горизонтально поляризованный свет. Обычно это используется в целях навигации, поскольку линейная поляризация небесного света всегда перпендикулярна направлению солнца. Эта способность очень распространена среди насекомые, в том числе пчелы, которые используют эту информацию для ориентации своих коммуникативные танцы.^{[33]:102–103} Чувствительность к поляризации также наблюдалась у видов осьминог, Кальмар, каракатица, и креветка-богомол.^{[33]:111–112} В последнем случае один вид измеряет все шесть ортогональных компонентов поляризации и, как полагают, обладает оптимальным поляризационным зрением.^[34] Быстро меняющийся, ярко окрашенный рисунок кожи каракатицы, используемый для общения, также включает в себя поляризационные рисунки, а у креветок-богомолов, как известно, есть поляризационно-селективная отражающая ткань. Считалось, что поляризация неба воспринимается голуби, который, как предполагалось, был одним из их помощников в самонаведение, но исследования показывают, что это популярный миф.^[35]

Голый человеческий глаз слабо чувствителен к поляризации, без необходимости использования промежуточных фильтров. Поляризованный свет создает очень слабый узор около центра поля зрения, называемый Кисть Хайдингера. Этот узор очень трудно увидеть, но с практикой можно научиться обнаруживать поляризованный свет невооруженным глазом.^[33]:118

Угловой момент с использованием круговой поляризации

Хорошо известно, что электромагнитное излучение несет в себе определенную линейную импульс по направлению распространения. Но кроме того, свет несет в себе определенную угловой момент если он поляризован по кругу (или частично). По сравнению с более низкими частотами, такими как микроволны, количество угловой момент в свете, даже чисто круговой поляризации, по сравнению с импульсом той же волны (или радиационное давление ) очень мала, и ее трудно даже измерить. Однако он был использован в эксперименте для достижения скорости до 600 миллионов оборотов в минуту.^[36][37]

Смотрите также

• 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

использованная литература

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. 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. Дои: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. 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 физическими проверками. 91 (23): 233901. Bibcode:2003ПхРвЛ..91в3901Д. Дои:10.1103 / PhysRevLett.91.233901. PMID  14683185.
12. Чандрасекар, Субраманян (1960). Радиационный перенос. Дувр. п.27. ISBN  0-486-60590-6. OCLC  924844798.
13. Sletten, Mark A .; Мак Лафлин, Дэвид Дж. (2005-04-15). «Радиолокационная поляриметрия». Ин Чанг, Кай (ред.). Энциклопедия радио- и микроволновой техники. John Wiley & Sons, Inc. Дои: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, Меррилл 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.
16. Волакис, Джон (2007). Справочник по проектированию антенн, четвертое издание. Макгроу-Хилл. Раздел 26.1. ISBN  9780071475747: Заметка: 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 минус знак часто опускается для удобства ", что по сути возвращается к определению, принятому другими авторами.
17. Пракаш, Хари; Чандра, Нареш (1971). «Оператор плотности неполяризованного излучения». Физический обзор A. 4 (2): 796–799. Bibcode:1971ПхРва ... 4..796П. Дои:10.1103 / PhysRevA.4.796.
18. Чандрасекар, Субраманян (2013). Радиационный перенос. Курьер. п. 30.
19. Hecht, Юджин (2002). Оптика (4-е изд.). Соединенные Штаты Америки: Аддисон 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. Деннис Гольдштейн; Деннис Х. Гольдштейн (3 января 2011 г.). Поляризованный свет, переработанный и расширенный. CRC Press. ISBN  978-0-203-91158-7.
22. Масуд Мансурипур (2009). Классическая оптика и ее приложения. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-88169-2.
23. Рэнди О. Уэйн (16 декабря 2013 г.). Световая и видео микроскопия. Академическая пресса. ISBN  978-0-12-411536-1.
24. Питер М. Ширер (2009). Введение в сейсмологию. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-88210-1.
25. 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.
26. Фоллхардт, К. Питер С .; Шор, Нил Э. (2003). Органическая химия: структура и функции (4-е изд.). В. Х. Фриман. стр.169–172. ISBN  978-0-7167-4374-3.
27. Влеммингс, В. Х. Т. (март 2007 г.). «Обзор мазерной поляризации и магнитных полей». Труды Международного астрономического союза. 3 (S242): 37–46. arXiv:0705.0885. Bibcode:2007IAUS..242 ... 37В. Дои:10.1017 / с1743921307012549.
28. Ханну Карттунен; Пекка Крёгер; Хейкки Оя (27 июня 2007 г.). Фундаментальная астрономия. Springer. ISBN  978-3-540-34143-7.
29. Boyle, Latham A .; Steinhardt, PJ; Турок, Н. (2006). «Инфляционные прогнозы для скалярных и тензорных колебаний пересмотрены». Письма с физическими проверками. 96 (11): 111301. arXiv:astro-ph / 0507455. Bibcode:2006ПхРвЛ..96к1301Б. Дои:10.1103 / PhysRevLett.96.111301. PMID  16605810. S2CID  10424288.
30. 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. Дои:10.1088/1475-7516/2005/04/001. S2CID  17250080.
31. Кларк, С. (1999). «Поляризованный звездный свет и подвижность жизни». Американский ученый. 97 (4): 336–43. Bibcode:1999AmSci..87..336C. Дои:10.1511/1999.4.336.
32. Бекефи, Джордж; Барретт, Алан (1977). Электромагнитные колебания, волны и излучение. США: MIT Press. ISBN  0-262-52047-8.
33. Дж. Дэвид Пай (13 февраля 2001 г.). Поляризованный свет в науке и природе. CRC Press. ISBN  978-0-7503-0673-7.
34. Соня Кляйнлогель; Эндрю Уайт (2008). «Тайный мир креветок: поляризационное видение в лучшем виде». PLOS ONE. 3 (5): e2190. arXiv:0804.2162. Bibcode:2008PLoSO ... 3,2190 тыс.. Дои:10.1371 / journal.pone.0002190. ЧВК  2377063. PMID  18478095.
35. Nuboer, J. F. W .; Coemans, M. a. J. M .; 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.
36. "'Создан самый быстро вращающийся объект ". Новости BBC. 2013-08-28. Получено 2019-08-27.
37. Дхолакия, Кишан; Мазилу, Михаил; Арита, Ёсихико (28 августа 2013 г.). «Лазерное вращение и охлаждение захваченного микрогироскопа в вакууме». Nature Communications. 4: 2374. Bibcode:2013 НатКо ... 4.2374A. Дои:10.1038 / ncomms3374. HDL:10023/4019. ЧВК  3763500. PMID  23982323.

Общие ссылки

• Принципы оптики, 7-е издание, М. Борн и Э. Вольф, Кембриджский университет, 1999 г., 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 г.
• Эллипсометрия и поляризованный свет, Р. М. А. Аззам и Н. М. Башара, Северная Голландия, 1977 г., ISBN  0-444-87016-4
• Секреты мореплавателей-викингов - как викинги использовали свои удивительные солнечные камни и другие методы, чтобы пересечь открытые океаны., Лейф Карлсен, One Earth Press, 2003.

внешние ссылки

• Лекция Фейнмана о поляризации
• Поляризованный свет в природе и технике
• Галерея цифровых изображений поляризованного света: Микроскопические изображения, сделанные с использованием эффектов поляризации.
• Поляризация по Физическому университету Колорадо, 2000 г.: 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