Поляризация электромагнитных волн

Практическое значение

Поляризация электромагнитных волн
Левое изображение снято без фильтра, правое — через поляризационный фильтр

Скорость распространения волны может зависеть от её поляризации.

Две волны, линейно поляризованные под прямым углом друг к другу, не интерферируют.

Чаще всего это явление используется для создания различных оптических эффектов, а также в 3D-кинематографе (технология IMAX), где поляризация используется для разделения изображений, предназначенных правому и левому глазу.

Круговая поляризация применяется в антеннах космических линий связи, так как для приёма сигнала не важно положение плоскости поляризации передающей и приёмной антенн. То есть вращение космического аппарата не повлияет на возможность связи с ним

Направление вращения круговой поляризации космической приемо-передающей антенны должно совпадать с направлением вращения наземной приемо-передающей антенны, работающей с космической. То-же самое с антеннами линейной поляризации. В космической связи используется поляризационная развязка, то есть на одной частоте работают антенны противоположных направлений вращения поляризации или ортогональные с линейной поляризацией.

Антенну круговой поляризации выполнить сложнее, чем антенну линейной поляризации, для этого нужен поляризатор. Антенну с поляризацией правого направления вращения легко переделать в левого направления вращения. Для это надо всего-навсего повернуть на 90 градусов относительно оси вращения её поляризатор. Вообще, круговая поляризация — вещь теоретическая. На практике говорят об антеннах эллиптической поляризации — с левым или правым направлением вращения.

Круговая поляризация света используется также в технологиях стереокинематографа RealD и MasterImage. Эти технологии подобны IMAX с той разницей, что круговая поляризация вместо линейной позволяет сохранять стереоэффект и избегать двоения изображения при небольших боковых наклонах головы.

Поляризация волн находит применение в поляризационной голографии

Кто открыл явление и что оно доказывает

В первый раз эксперименты согласно поляризации света поставлены в 1690 г Гюйгенсом (голландский ученый). Суть эксперимента в том, что ученый пропустил через исландский шпат световое излучение. При этом происходит поперечная анизотропия луча.

Данное проявление получило название парное лучепреломление. Если кристаллик вращать сравнительно тенденции начальной полупрямой, так крутятся тот и другой луч при выходе из кристалла.

В 1809 г. французский инженер Малюс Э. открывает закон, после названный в его честь. В его экспериментах освещение поочередно пропускается посредством двух одинаковых пластин турмалина. Сияние направлялось вертикально плоскости кристалла турмалина, вырезанного параллельно зрительной оси. Если луч на своем пути встречает два препятствия в виде кристаллов турмалина, то насыщенность прошедшего луча, изменяется от альфа угла между осями по закону Малюса и выражается:

I = Icos2φ

Шотландский физик Никол Уильям изобрел в 1828 году поляризатор. Это прибор для получения линейно-поляризованного света (призма Никола). Через одиннадцать лет осуществил совмещение таких призм в единый прибор, что широко применяется и сегодня.

Поляризация частиц

Аналогичный эффект наблюдается при квантовомеханическом рассмотрении пучка частиц, обладающих спином. Состояние отдельной частицы в этом случае, вообще говоря, не является чистым и должно описываться соответствующей матрицей плотности. Для частицы со спином ½ (скажем, электрона) это эрмитова матрица 2×2 ρba{\displaystyle \rho _{b}^{a}} со следом 1:

ρab=ρab†=ρ¯ba{\displaystyle \rho _{ab}=\rho _{ab}^{\dagger }={\bar {\rho }}_{ba}}
trρba=1{\displaystyle \mathrm {tr} \,\rho _{b}^{a}=1}

В общем случае она имеет вид

ρba=12(δba+2σ^bas¯){\displaystyle \rho _{b}^{a}={1 \over 2}(\delta _{b}^{a}+2{\hat {\sigma }}_{b}^{a}{\bar {s}})}

Здесь σ^=(σx,σy,σz){\displaystyle {\hat {\sigma }}=(\sigma _{x},\sigma _{y},\sigma _{z})} — вектор, составленный из матриц Паули, а s¯{\displaystyle {\bar {s}}} — вектор среднего спина частицы. Величина

ρ=2|s¯|=2sx2+sy2+sz2{\displaystyle \rho =2|{\bar {s}}|=2{\sqrt {s_{x}^{2}+s_{y}^{2}+s_{z}^{2}}}}

называется степенью поляризации частицы. Это вещественное число <ρ<1.{\displaystyle 0<\rho <1.} Значение ρ=1{\displaystyle \rho =1} соответствует полностью поляризованному пучку частиц, при этом

ρba=ψa⊗ψb†{\displaystyle \rho _{b}^{a}=\psi ^{a}\otimes \psi _{b}^{\dagger }}

где ψ{\displaystyle \psi } — вектор состояния частицы. Фактически, полностью поляризованные частицы можно полностью описать вектором состояния.

Виды поляризации

Отличие волн с круговой и плоской поляризацией

Поперечная волна характеризуется двумя направлениями: волновым вектором и вектором амплитуды, всегда перпендикулярным к волновому вектору с точностью до движения пространства. Волновой вектор показывает направление распространения волны, а вектор амплитуды показывает, в какую сторону происходят колебания. В трёхмерном пространстве имеется ещё одна степень свободы — возможность вращения вектора амплитуды вокруг волнового вектора. Тройка векторов, сопоставленная каждой точке бирегулярной кривой образует репер Френе.

Причиной возникновения поляризации волн может быть:

  • несимметричная генерация волн в источнике возмущения;
  • анизотропность среды распространения волн;
  • преломление и отражение на границе двух сред.

Поляризация описывается фигурами Лиссажу, и соответствует сложению поперечных колебаний равной частоты (с различным сдвигом фаз). При равенстве частоты колебаний фигуры Лиссажу представляют собой эллипс, двумя крайними формами которого являются круг и отрезок прямой.

В общем случае для гармонических волн конец вектора колеблющейся величины описывает в плоскости, поперечной направлению распространения волны, эллипс: это . Важными частными случаями являются линейная поляризация, при которой колебания возмущения происходят в какой-то одной плоскости, в таком случае говорят о «плоско-поляризованной волне», и круговая поляризация или циркулярная поляризация, при которой конец вектора амплитуды описывает окружность в плоскости колебаний; круговая поляризация (как и эллиптическая) в зависимости от направления вращения вектора может быть положительной или правой и отрицательной или левой.

Зависимость мгновенных потенциалов при круговой поляризации

Откуда берется

Световой поток, который попадает в наше окружение, в основном неполяризован. Излучение от солнца, лампочек – свет, где вектор колеблется в разных направлениях. Если работа за компьютером и монитор жидкокристаллический, то в нем поляризованный источник.

Поляризация электромагнитных волн

Чтобы видеть поляризованный свет, надо естественный поток пропустить через анизотропную сферу. Она и есть поляризатор, который отрезает ненужные направления колебаний, сохраняя одно.

Анизотропная сфера – среда, которая обладает различными свойствами в зависимости от направленности внутри нее.

В числе поляризаторов применяются кристаллы. Одним из природных, часто применяемых – турмалин.

Еще методом извлечения поляризованного потока излучения является отражение с диэлектрика. Если луч опускается в рубеж области 2-ух сфер, поток делится на отображенный и надломленный. Лучи получаются отчасти поляризованными, при этом степень поляризации находится в зависимости от угла падения.

Что такое поляризация света

Термин поляризации дает оценку поперечных волн. Представляет состояние вектора колеблющейся величины в плоскости, поперечной направленности распространения волны.

Поляризация прослеживается лишь на поперечных волнах.

Если тенденции колебаний светового вектора упорядочены, то освещение именуется поляризованным.

Колебания одинаковой частоты электромагнитных излучений могут иметь поляризирование:

  • Линейную. Она перпендикулярно направлена распространению волны.
  • Круговую. В связи с тенденцией верчения вектора индукции, поляризация правая либо левая.
  • Эллиптическую. Возникает в промежутке с круговой и линейной поляризациями.

Теория явления[править | править код]

Электромагнитная волна может быть разложена (как теоретически, так и практически) на две поляризованные составляющие, например поляризованные вертикально и горизонтально. Возможны другие разложения, например по иной паре взаимно перпендикулярных направлений, или же на две составляющие, имеющие левую и правую круговую поляризацию. При попытке разложить линейно поляризованную волну по круговым поляризациям (или наоборот) возникнут две составляющие половинной интенсивности.

По изменению поляризации света при отражении от поверхности можно судить о структуре поверхности, оптических постоянных, толщине образца.

История открытияправить | править код

Эти исследования вплотную подвели Гюйгенса к открытию явления поляризации света, однако решающего шага он сделать не смог, поскольку световые волны в его теории предполагались продольными. Для объяснения опытов Х. Гюйгенса И. Ньютон, придерживавшийся корпускулярной теории света, выдвинул идею об отсутствии осевой симметрии светового луча и этим сделал важный шаг к пониманию поляризации света.

Параметры Стоксаправить | править код

Изображение поляризации языком параметров Стокса на сфере Пуанкаре

, ,
, .

Независимыми являются только три из них, ибо справедливо тождество:

.

Если ввести вспомогательный угол — угол эллиптичности , определяемый выражением (знак соответствует правой, а — левой поляризации), то можно получить следующие выражения для параметров Стокса:

,
,
.

Наряду с , , используют также нормированные параметры Стокса , , . Для поляризованного света .

Использование явления поляризации светаправить | править код

Взаимодействие поляризованного света с веществом может приводить к оптической ориентации или к настройке генерации мощного поляризованного излучения в лазерах и др. С другой стороны, исследование деполяризации света при фотолюминесценции дает сведения о взаимодействии поглощающих и излучающих центров в частицах вещества, при рассеянии света — ценные данные о структуре и свойствах рассеивающих молекул или иных частиц, в других случаях — о протекании фазовых переходов и т.д. (См. также Флюоресцентный наноскоп).

Поляризация светового излучения играет заметную роль в живой природе. Многие живые существа способны чувствовать поляризацию света, а некоторые насекомые (пчёлы, муравьи) ориентируются в пространстве по поляризованному (в результате рассеяния в атмосфере) свечению голубого неба. При определенных условиях к Поляризация света становится чувствительным и человеческий глаз (т. н. явление Хайдингера).

Литератураправить | править код

  • Ахманов С. А., Никитин С. Ю. — Физическая оптика, 2 издание, M. — 2004.
  • Борн М., Вольф Э. — Основы оптики, 2 издание, исправленное, пер. с англ.,М. — 1973
admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий