Круговая поляризация - Circular polarization

В электрическое поле векторы бегущей электромагнитной волны с круговой поляризацией. Эта волна имеет правую круговую поляризацию, поскольку направление вращения вектора связано соотношением правило правой руки к направлению движения волны; или с левой круговой поляризацией согласно альтернативному соглашению.

В электродинамика, круговая поляризация из электромагнитная волна это поляризация состояние, в котором в каждой точке электромагнитное поле волны имеет постоянную величину, но ее направление вращается с постоянной скоростью в плоскости, перпендикулярной направлению волны.

В электродинамике сила и направление электрического поля определяются его вектором электрического поля. В случае волны с круговой поляризацией, как видно на сопровождающей анимации, вершина электрического поля вектор в данной точке пространства описывает круг по мере того, как время идет. В любой момент времени вектор электрического поля волны указывает точку на спираль ориентированы по направлению распространения. Волна с круговой поляризацией может вращаться в одном из двух возможных направлений: правая круговая поляризация в котором вектор электрического поля вращается правая рука смысл по отношению к направлению распространения, и левая круговая поляризация в котором вектор вращается в левая рука смысл.

Круговая поляризация - это предельный случай более общего состояния эллиптическая поляризация. Другой особый случай легче понять линейная поляризация.

Явление поляризации возникает вследствие того, что свет ведет себя как двумерный поперечная волна.

Общее описание

Правосторонний / правосторонний свет с круговой поляризацией отображается с использованием компонентов и без них. Это будет считаться левосторонней / с круговой поляризацией против часовой стрелки, если ее определять с точки зрения источника, а не приемника. См. Ниже раздел конвенции.^[1]

Справа - электрическое поле. векторов циркулярно поляризованной электромагнитной волны.^[1] Векторы электрического поля имеют постоянную величина но их направление меняется вращательно. Учитывая, что это плоская волна, каждый вектор представляет величину и направление электрического поля для всей плоскости, перпендикулярной оси. В частности, учитывая, что это плоская волна с круговой поляризацией, эти векторы указывают на то, что электрическое поле от плоскости к плоскости имеет постоянную напряженность, а его направление постоянно вращается. Ссылаться на эти два изображения в статье о плоских волнах, чтобы лучше это понять. Этот свет считается правосторонним, с круговой поляризацией по часовой стрелке, если его видит приемник. Поскольку это электромагнитная волна каждый электрическое поле вектор имеет соответствующий, но не проиллюстрированный, магнитное поле вектор, который находится в прямой угол к вектору электрического поля и пропорциональный по величине к нему. В результате векторы магнитного поля будут отслеживать вторую спираль, если они отображаются.

Круговая поляризация часто встречается в области оптики, и в этом разделе электромагнитная волна будет просто называться свет.

Природа круговой поляризации и ее связь с другими поляризациями часто понимают, рассматривая электрическое поле как разделенное на две части. составные части которые расположены под прямым углом друг к другу. См. Вторую иллюстрацию справа. Вертикальный компонент и соответствующая ему плоскость показаны синим цветом, а горизонтальный компонент и соответствующая ему плоскость показаны зеленым. Обратите внимание, что направленный вправо (относительно направления движения) горизонтальный компонент опережает вертикальный компонент на одну четверть длина волны. Это это квадратурная фаза отношения, которые создают спираль и приводит к тому, что точки максимальной величины вертикальной составляющей соответствуют точкам нулевой величины горизонтальной составляющей, и наоборот. Результатом этого выравнивания является то, что есть выбранные векторы, соответствующие спирали, которые точно совпадают с максимумами вертикальной и горизонтальной составляющих. (Чтобы свести к минимуму визуальный беспорядок, это единственные отображаемые спиральные векторы.)

Чтобы оценить, как эта квадратура фаза сдвиг соответствует электрическому полю, которое вращается, сохраняя постоянную величину, представьте себе точку, движущуюся по кругу по часовой стрелке. Рассмотрим, как вертикальный и горизонтальный смещения точки относительно центра круга меняются синусоидально по времени и сдвинуты по фазе на четверть цикла. Смещения считаются сдвинутыми по фазе на четверть цикла, потому что максимальное горизонтальное смещение (влево) достигается за четверть цикла до достижения максимального вертикального смещения. Теперь снова обращаясь к иллюстрации, представьте, что центр описанной окружности движется вдоль оси спереди назад. Круглая точка очерчивает спираль со смещением в направлении слева от нас, что приводит к вертикальному смещению. Точно так же, как горизонтальное и вертикальное смещения вращающейся точки не совпадают по фазе на четверть цикла во времени, величина горизонтальной и вертикальной составляющих электрического поля не совпадают по фазе на четверть длины волны.

Левосторонний / против часовой стрелки циркулярно поляризованный свет отображается с использованием компонентов и без них. Это будет считаться правосторонней / круговой поляризацией по часовой стрелке, если определять ее с точки зрения источника, а не приемника.

Следующая пара иллюстраций - это левосторонний свет с круговой поляризацией против часовой стрелки, видимый приемником. Поскольку он левосторонний, правая (относительно направления движения) горизонтальная составляющая теперь отставание вертикальная составляющая на четверть длины волны, а не опережает ее.

Смена руки

Через волновую пластину

Чтобы преобразовать данную направленность поляризованного света в другую, можно использовать полуручку.волновая пластина. Полуволновая пластинка сдвигает данную линейную составляющую света на половину длины волны относительно ее ортогональной линейной составляющей.

Через отражение

Направление поляризованного света также меняется на противоположное, когда он отражается от поверхности при нормальном падении. При таком отражении вращение плоскость поляризации отраженного света идентичен падающему полю. Однако с распространением сейчас в противоположный направление, то же направление вращения, которое было бы описано как «правое» для падающего луча, является «левым» для распространения в обратном направлении и наоборот. Помимо изменения направленности, эллиптичность поляризации также сохраняется (за исключением случаев отражения от двулучепреломляющий поверхность).

Обратите внимание, что этот принцип действует строго только для света, отраженного при нормальном падении. Например, свет с правильной круговой поляризацией, отраженный от поверхности диэлектрика при скользящем падении (угол за пределами Угол Брюстера ) по-прежнему будет выглядеть правосторонним, но с эллиптической поляризацией. У света, отраженного от металла при ненормальном падении, обычно также изменяется эллиптичность. Такие ситуации могут быть решены путем разложения падающей круговой (или другой) поляризации на составляющие линейной поляризации, параллельной и перпендикулярной направлению. плоскость падения, обычно обозначаемый п и s соответственно. Отраженные компоненты в п и s линейные поляризации находятся путем применения Коэффициенты Френеля отражения, которые обычно различны для этих двух линейных поляризаций. Только в частном случае нормальной заболеваемости, когда нет различия между п и s, коэффициенты Френеля для двух компонентов идентичны, что приводит к вышеуказанному свойству.

Серия из 3-х слайдов, сделанных с использованием и без пары очков masterImage 3D с круговой поляризацией некоторых мертвых европейских розовых жук (Cetonia aurata), блестящий зеленый цвет которых исходит от левополяризованного света. Обратите внимание, что без очков и жуки, и их изображения имеют блестящую окраску. Правый поляризатор удаляет цвет жуков, но оставляет цвет изображений. Левый поляризатор делает обратное, показывая изменение направления отраженного света.

Преобразование в линейную поляризацию и обратно

Свет с круговой поляризацией можно преобразовать в свет с линейной поляризацией, пропустив его через четверть угла.волновая пластина. Прохождение линейно поляризованного света через четвертьволновую пластинку с осями под 45 ° к оси поляризации преобразует его в круговую поляризацию. Фактически, это наиболее распространенный способ получения круговой поляризации на практике. Обратите внимание, что прохождение линейно поляризованного света через четвертьволновую пластину под углом Другой чем 45 ° обычно дает эллиптическую поляризацию.

Соглашения о ручках

Правосторонняя / правосторонняя волна с круговой поляризацией, определяемая с точки зрения источника. Он будет считаться левосторонним / с круговой поляризацией против часовой стрелки, если его определять с точки зрения приемника.

Левая / против часовой стрелки циркулярно поляризованная волна, определяемая с точки зрения источника. Он будет считаться правосторонним / с круговой поляризацией по часовой стрелке, если определять его с точки зрения приемника.

Круговую поляризацию можно назвать правой или левой, а также по часовой стрелке или против часовой стрелки, в зависимости от направления вращения вектора электрического поля. К сожалению, существуют две противоположные исторические условности.

С точки зрения источника

Используя это соглашение, поляризация определяется с точки зрения источника. При использовании этого соглашения левосторонность или праворукость определяется указанием большого пальца правой или левой руки. прочь из источника, в одно и тоже направление распространения волны и согласование сгибания пальцев с направлением временного вращения поля в данной точке пространства. При определении того, имеет ли волна круговую поляризацию по часовой стрелке или против часовой стрелки, снова принимают точку зрения источника и, глядя на прочь из источника и в одно и тоже В направлении распространения волны наблюдается направление пространственного вращения поля.

Используя это соглашение, вектор электрического поля правой циркулярно поляризованной волны имеет следующий вид:${displaystyle left (E_ {x} ,, E_ {y} ,, E_ {z} ight) propto left (cos {frac {2pi} {lambda}} left (ct-zight) ,, sin {frac {2pi} { лямбда}} left (ct-zight) ,, 0ight).}$

В качестве конкретного примера рассмотрим волну с круговой поляризацией в первой анимации. Используя это соглашение, эта волна определяется как правосторонняя, потому что, когда человек указывает большим пальцем правой руки в том же направлении, что и волна, пальцы этой руки изгибаются в том же направлении, что и временное вращение поля. Считается, что поле поляризовано по часовой стрелке с круговой поляризацией, потому что с точки зрения источника, смотрящего в том же направлении, что и волна, поле вращается по часовой стрелке. Вторая анимация - это левостороннее или против часовой стрелки с использованием того же правила.

Это соглашение соответствует Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и поэтому обычно используется в инженерном сообществе.^[2][3][4]

Квантовые физики также используют это соглашение о хиральности, потому что оно согласуется с их соглашением о хиральности для спина частицы.^[5]

Радиоастрономы также используют это соглашение в соответствии с Международный астрономический союз (МАС) Постановление 1973 г.^[6]

С точки зрения получателя

В этом альтернативном соглашении поляризация определяется с точки зрения приемника. Используя это соглашение, леворукость или праворукость определяется указанием большого пальца левой или правой руки. к источник, против направление распространения, а затем согласование сгибания пальцев с пространственным вращением поля.

При использовании этого соглашения, в отличие от другого соглашения, определенная направленность волны совпадает с направленностью винтовой природы поля в пространстве. В частности, если заморозить правую волну во времени, когда он сгибает пальцы правой руки вокруг спирали, большой палец будет указывать в направлении, в котором спираль движется, учитывая это чувство вращения. Обратите внимание, что природа всех винтов и спиралей такова, что не имеет значения, в каком направлении вы указываете большим пальцем при определении его руки.

При определении того, имеет ли волна круговую поляризацию по часовой стрелке или против часовой стрелки, снова принимают точку зрения приемника и, глядя на к источник, против В направлении распространения наблюдается направление временного вращения поля.

Как и в другом соглашении, правосторонность соответствует вращению по часовой стрелке, а левосторонность соответствует вращению против часовой стрелки.

Это второе соглашение используется во многих учебниках по оптике.^[7][8] Он также используется SPIE^[9] так же хорошо как Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК).^[10]

Использование двух соглашений

Как указывалось ранее, существует значительная путаница в отношении этих двух соглашений. Как правило, сообщества инженеров, квантовой физики и радиоастрономии используют первое соглашение, согласно которому волна наблюдается с точки зрения источника.^[3][5][6] Во многих учебниках физики, посвященных оптике, используется второе соглашение, когда свет наблюдается с точки зрения приемника.^[5][7]

Чтобы избежать путаницы, при обсуждении вопросов поляризации рекомендуется указывать «как определено с точки зрения источника» или «как определено с точки зрения приемника».

Архив Федеральный стандарт США 1037C предлагает два противоречащих друг другу правила руки.^[11]

FM радио

Термин «круговая поляризация» часто ошибочно используется для описания сигналов со смешанной полярностью.^{[нужна цитата ]} используется в основном в FM радио (87,5–108,0 МГц в США), где вертикальная и горизонтальная составляющие распространяются одновременно одной или комбинированной антенной. Это приводит к большему проникновению в здания и зоны с трудным приемом, чем сигнал только с одной плоскостью поляризации. Это был бы случай, когда поляризацию более уместно назвать случайной поляризацией, потому что поляризация в приемнике, хотя и постоянная, будет варьироваться в зависимости от направления от передатчика и других факторов в конструкции передающей антенны. Видеть Параметры Стокса.
Термин "FM-радио" выше относится к FM-вещание, а не двухстороннее радио (правильнее называть наземная мобильная радиосвязь ), в котором почти исключительно используется вертикальная поляризация.

Дихроизм

Круговой дихроизм (CD) - дифференциальное поглощение лево- и правополяризованных свет. Круговой дихроизм - основа формы спектроскопия который можно использовать для определения оптическая изомерия и вторичная структура молекулы.

В целом это явление будет проявляться в полосах поглощения любого оптически активный молекула. Как следствие, круговой дихроизм проявляется у большинства биологических молекул из-за правовращающий (например, некоторые сахара ) и левовращающий (например, некоторые аминокислоты ) содержащиеся в них молекулы. Примечательно также, что вторичная структура также будет сообщать отдельный CD своим соответствующим молекулам. Следовательно альфа спираль, бета-лист и случайный катушки области белков и двойная спираль из нуклеиновые кислоты имеют спектральные сигнатуры CD, представляющие их структуры.

Кроме того, при правильных условиях даже нехиральные молекулы будут демонстрировать магнитный круговой дихроизм, то есть круговой дихроизм, индуцированный магнитным полем.

Люминесценция

Люминесценция с круговой поляризацией (CPL) может произойти, когда либо люминофор или ансамбль люминофоров хиральный. Степень поляризации выбросов оценивается количественно так же, как и для круговой дихроизм, с точки зрения коэффициент диссимметрии, также иногда называемый анизотропия фактор. Это значение определяется как

${displaystyle g_ {em} = 2left ({heta _ {mathrm {left}} - heta _ {mathrm {right}} over heta _ {mathrm {left}} + heta _ {mathrm {right}}} ight)}$

куда ${displaystyle heta _ {mathrm {left}}}$ соответствует квантовому выходу левостороннего циркулярно поляризованного света, а ${displaystyle heta _ {mathrm {right}}}$ к тому из правостороннего света. Максимальное абсолютное значение грамм_Эм, соответствующая чисто левой или правой круговой поляризации, поэтому равна 2. Между тем, наименьшее абсолютное значение, которое грамм_Эм может достигать нуля, соответствующего линейно поляризованному или неполяризованному свету.

Математическое описание

В классический синусоидальный плоское волновое решение уравнение электромагнитной волны для электрический и магнитный поля это

${displaystyle {egin {align} mathbf {E} (mathbf {r}, t) & = left |, mathbf {E}, ight | mathrm {Re} left {mathbf {Q} left | psi ightangle exp left [ileft ( kz-omega tight) ight] ight} mathbf {B} (mathbf {r}, t) & = {hat {mathbf {z}}} imes mathbf {E} (mathbf {r}, t) end {выровнено} }}$

где k - это волновое число,

${displaystyle omega = ck}$

это угловая частота волны, ${displaystyle mathbf {Q} = left [{hat {mathbf {x}}}, {hat {mathbf {y}}} ight]}$ ортогональный ${displaystyle 2 imes 2}$ матрица, столбцы которой охватывают поперечную плоскость x-y и ${displaystyle c}$ это скорость света.

Здесь

${displaystyle left |, mathbf {E}, ight |}$

это амплитуда поля и

${displaystyle | psi angle {stackrel {mathrm {def}} {=}} {egin {pmatrix} psi _ {x} psi _ {y} end {pmatrix}} = {egin {pmatrix} cos heta exp left (ialpha _ {x} ight) sin heta exp left (ialpha _ {y} ight) end {pmatrix}}}$

нормализованный Вектор Джонса в плоскости x-y.

Если ${displaystyle alpha _ {y}}$ вращается ${displaystyle pi / 2}$ радианы по отношению к ${displaystyle alpha _ {x}}$ а амплитуда х равна амплитуде у волны, поляризованной по кругу. Вектор Джонса

${displaystyle | psi angle = {1 over {sqrt {2}}} {egin {pmatrix} 1 pm iend {pmatrix}} exp left (ialpha _ {x} ight)}$

где знак плюс указывает на левую круговую поляризацию, а знак минус указывает на правую круговую поляризацию. В случае круговой поляризации вектор электрического поля постоянной величины вращается в плоскости x-y.

Если базисные векторы определены так, что

${displaystyle | Rangle {stackrel {mathrm {def}} {=}} {1 over {sqrt {2}}} {egin {pmatrix} 1 -iend {pmatrix}}}$

и

${displaystyle | Langle {stackrel {mathrm {def}} {=}} {1 over {sqrt {2}}} {egin {pmatrix} 1 iend {pmatrix}}}$

то состояние поляризации можно записать в «базисе R-L» как

${displaystyle | psi angle = psi _ {R} | Rangle + psi _ {L} | Langle}$

куда

${displaystyle {egin {align} psi _ {R} ~ & {stackrel {mathrm {def}} {=}} ~ {frac {1} {sqrt {2}}} left (cos heta + isin heta exp left (idelta ight) ight) exp left (ialpha _ {x} ight) psi _ {L} ~ & {stackrel {mathrm {def}} {=}} ~ {frac {1} {sqrt {2}}} left (cos heta -isin heta exp left (idelta ight) ight) exp left (ialpha _ {x} ight) end {выровнено}}}$

и

${displaystyle delta = alpha _ {y} -alpha _ {x}.}$

Антенны

Эта секция содержит слишком много или слишком длинные цитаты для энциклопедической статьи. Пожалуйста помогите улучшить статью представляя факты как нейтрально сформулированный резюме с соответствующие цитаты. Рассмотрите возможность переноса прямых предложений на Викицитатник. (Апрель 2018 г.)

Для получения циркулярно поляризованного (или почти такого) излучения может использоваться ряд различных типов антенных элементов; вслед за Баланисом,^[12] можно использовать дипольные элементы:

"два скрещенных диполя обеспечивают две ортогональные компоненты поля ... Если два диполя идентичны, напряженность поля каждого по зениту ... будет одинаковой интенсивности. Кроме того, если бы два диполя питались под углом 90 ° разность фаз (фазовая квадратура), поляризация вдоль зенита будет круговой ... Один из способов получить разность фаз в 90 ° между двумя ортогональными компонентами поля, излучаемыми, соответственно, двумя диполями, - это подать питание на один из два диполя с линией передачи, которая на 1/4 длины волны длиннее или короче, чем у другого ", стр.80;

или же винтовые элементы:

«Для достижения круговой поляризации [в осевом или торцевом режиме] ... окружность C спирали должен быть ... с C/ wavelength = 1 около оптимума, а расстояние около S = длина волны / 4. "стр.571;

или же патч элементы:

«Круговая и эллиптическая поляризации могут быть получены с использованием различных схем подачи или небольших модификаций, внесенных в элементы ... Круговая поляризация может быть получена, если две ортогональные моды возбуждаются с разностью фаз 90 ° между ними. Это может быть достигнуто путем регулировки физические размеры накладки ... Для квадратного элемента накладки самый простой способ возбудить идеально круговую поляризацию - это подать элемент на два соседних края ... Квадратурная разность фаз получается путем подачи на элемент мощности 90 ° делитель », стр.859.

В квантовой механике

в квантово-механический вид, свет состоит из фотоны. Поляризация - это проявление спиновый угловой момент света. Более конкретно, в квантовой механике направление спина фотона связано с направленностью циркулярно поляризованного света, а спин пучка фотонов подобен спину пучка частиц, таких как электроны.^[13]

В природе

В роза Внешняя поверхность России отражает почти исключительно свет с левой круговой поляризацией.

В природе известно лишь несколько механизмов, которые систематически создают циркулярно поляризованные свет. В 1911 г. Альберт Абрахам Михельсон обнаружил, что свет отражается от золотого жука-скарабея Chrysina resplendens преимущественно левополяризованный. С тех пор круговая поляризация была измерена еще в нескольких жуки-скарабеи подобно Chrysina gloriosa,^[14] а также некоторые ракообразные такой как креветка-богомол. В этих случаях основным механизмом является спиральность молекулярного уровня хитиновый кутикула.^[15]

В биолюминесценция из личинки из светлячки также циркулярно поляризован, как сообщалось в 1980 г. для видов Photuris lucicrescens и Photuris versicolor. Для светлячков труднее найти микроскопическое объяснение поляризации, потому что было обнаружено, что левый и правый фонари личинок излучают поляризованный свет противоположных чувств. Авторы предполагают, что свет начинается с линейная поляризация из-за неоднородностей внутри выровненного фотоциты, и он принимает круговую поляризацию при линейном прохождении через двулучепреломляющий ткань.^[16]

Границы раздела вода-воздух являются еще одним источником круговой поляризации. Солнечный свет, который рассеивается обратно к поверхности, имеет линейную поляризацию. Если этот свет тогда полностью внутренне отраженный обратно вниз, его вертикальная составляющая претерпевает фазовый сдвиг. Для подводного наблюдателя, смотрящего вверх, слабый свет снаружи Окно Снеллиуса поэтому (частично) поляризован по кругу.^[17]

Более слабые источники круговой поляризации в природе включают многократное рассеяние на линейных поляризаторах, как в круговой поляризации звездного света, и селективное поглощение на кругово-дихроичный средства массовой информации.

Два вида креветка-богомол сообщалось, что они способны обнаруживать свет с круговой поляризацией.^[18][19]

Смотрите также

• Поляризатор
• 3D фильм
• Хиральность
• Синусоидальные плоские волновые решения уравнения электромагнитной волны
• Поляризация звездного света
• Волновая пластина

Рекомендации

внешняя ссылка

• Свет с круговой поляризацией: жуки и дисплеи
• Статья о креветках-богомолах и круговой поляризации
• Анимация круговой поляризации (на YouTube)
• Сравнение круговой поляризации с линейной и эллиптической поляризациями (YouTube Animation)
• Изменение направления вращения циркулярно поляризованного света зеркалом. Демонстрация - просто, дешево и поучительно

дальнейшее чтение

• Джексон, Джон Д. (1999). Классическая электродинамика (3-е изд.). Нью-Йорк: Вили. ISBN  978-0-471-30932-1.
• Борн М. и Вольф Э. (1999). Принципы оптики: электромагнитная теория распространения, интерференции и дифракции света (7-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-64222-4.