Kruhová polarizace

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 16. srpna 2021; kontroly vyžadují 6 úprav .

V elektrodynamice je kruhová polarizace nebo jinak kruhová polarizace elektromagnetického záření jedním ze stavů polarizace , ve kterém má vektor elektrického pole E v každém bodě elektromagnetického pole vlny konstantní hodnotu, ale jeho směr se otáčí konstantní rychlostí. v rovině kolmé na směr šíření vlny.

Kruhovou polarizaci lze považovat za speciální případ obecnějšího pojetí eliptické polarizace , kdy konce vektorů E a H elektrického pole a magnetického pole elektromagnetické vlny opisují elipsy při rotaci. K eliptické polarizaci dochází, když se sečtou dva vzájemně kolmé lineárně polarizované kmity s různými amplitudami a fázovým rozdílem. Z tohoto pohledu lze lineární polarizaci považovat také za další limitující speciální případ eliptické polarizace .

Obecný popis

V případě kruhově polarizované vlny, jak je znázorněno na doprovodné animaci, vrchol vektoru elektrického pole v daném bodě prostoru popisuje v čase kruh. V průběhu času se vrchol vektoru elektrického pole vlny pohybuje po spirále, orientované ve směru šíření elektromagnetické vlny.

Kruhově polarizovaná vlna se může otáčet jedním ze dvou možných směrů: pravostranná kruhová polarizace, ve které se vektor elektrického pole otáčí doprava vzhledem ke směru šíření, a levostranná kruhová polarizace, ve které se vektor otáčí k levá.

Převod kruhové polarizace na lineární polarizaci a naopak

Světlo s kruhovou polarizací lze přeměnit na světlo s lineární polarizací průchodem čtvrtvlnnou deskou . Průchod lineárně polarizovaného světla čtvrtvlnnou deskou s osami 45° k ose polarizace jej převádí na kruhovou polarizaci. Toto je v praxi nejběžnější způsob získání kruhové polarizace. Je třeba poznamenat, že průchod lineárně polarizovaného světla čtvrtvlnnou deskou pod úhlem jiným než 45° má obvykle za následek eliptickou polarizaci.

O podmínkách

Pole je považováno za pravostranně kruhově polarizované, pokud se z pohledu zdroje hledícího ve stejném směru jako směr šíření vlny otáčí vektor elektrického pole E ve směru hodinových ručiček. Druhá animace je ilustrací levotočivé kruhové polarizace ( rotace vektoru elektrického pole E proti směru hodinových ručiček ) podle stejného pravidla. Tato definice se řídí standardem Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), a proto se běžně používá v inženýrské komunitě [1] [2] [3] . Radioastronomové také používají tuto definici v souladu s rezolucí Mezinárodní astronomické unie (IAU) přijatou v roce 1973 [4] V optické literatuře se často používá alternativní definice, kdy je směr rotace polarizačního vektoru uvažován z bodu pohledu přijímače [5] [6] Tato definice je používána i v pracích členů mezinárodní asociace vědců a inženýrů v oboru optiky a fotoniky - Společnosti optiky a fotoniky (SPIE). [7] V mnoha učebnicích fyziky věnovaných optice se používá druhá definice, kdy je světlo popsáno z pohledu přijímače [8] [5] . Aby se předešlo zmatkům, při projednávání otázek polarizace se doporučuje uvést „definováno z hlediska zdroje“ nebo „definováno z hlediska přijímače“.

Dichroismus

Je známo, že světlo s levou a pravou kruhovou polarizací je absorbováno rozdílně při průchodu roztoky opticky aktivních molekul. Tento jev rozdílné absorpce světla se nazývá kruhový dichroismus nebo kruhový dichroismus . Kruhový dichroismus je základem formy spektroskopie, která se používá k určení optické izomerie a sekundární struktury molekul. Cirkulární dichroismus se objevuje ve většině biologických molekul díky pravotočivým (např. některé cukry) a levotočivé (např. některé aminokyseliny) molekulám, které obsahují. Je také pozoruhodné, že sekundární struktura biologických molekul také vytvoří samostatný cirkulární dichroismus k jejich příslušným molekulám. Proto alfa-helix , beta-list a oblasti náhodných závitů proteinů a dvojitá šroubovice nukleových kyselin mají charakteristické projevy cirkulárního dichroismu spektrálních signálů, které charakterizují jejich struktury.

Navíc za vhodně zvolených podmínek budou i nechirální molekuly, tedy dokonale zrcadlově symetrické molekuly, vykazovat magnetický kruhový dichroismus indukovaný magnetickým polem.

Luminiscence

Kruhově polarizovaná luminiscence může nastat, když je fosfor nebo soubor fosforů chirální . Stupeň polarizace záření se kvantifikuje stejně jako u kruhového dichroismu pomocí faktoru disymetrie , někdy také nazývaného faktor anizotropie . Je definována jako:

g_{em}\ =\ 2\left({\theta _{\mathrm {left} }-\theta _{\mathrm {right} } \over \theta _{\mathrm {left} }+\ theta _{\mathrm {vpravo} }}\vpravo)

kde odpovídá kvantovému výtěžku světla s levostrannou kruhovou polarizací a pro světlo s pravostrannou kruhovou polarizací. $\theta _{\mathrm {left} }$ ${\displaystyle \theta _{\mathrm {vpravo} ))$

Maximální absolutní hodnota gem odpovídající čisté levé nebo čisté kruhové polarizaci je tedy 2. Mezitím nejmenší absolutní hodnota, kterou může gem dosáhnout , odpovídající lineárně polarizovanému nebo nepolarizovanému světlu, je nula.

Matematický popis

Klasické řešení rovnice elektromagnetického vlnění , tedy rovnice popisující šíření elektromagnetických vln prostředím nebo ve vakuu, pro případ rovinné sinusové vlny pro elektrická a magnetická pole je

{\begin{aligned}\mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)&=\left|\,\mathbf {E} \,\right|\mathrm {Re} \left\{\ mathbf {Q} \left|\psi \right\rangle \exp \left[i\left(kz-\omega t\right)\right]\right\}\\\mathbf {B} (\mathbf {r} ,t)&={\hat {\mathbf {z} }}\times \mathbf {E} (\mathbf {r} ,t)\end{aligned}}

kde k je vlnové číslo ,

\omega =ck

je úhlová frekvence vlny, ortogonální matice, jejíž sloupce definují příčnou rovinu xy, a je rychlost světla . $\mathbf {Q} =\left[{\hat {\mathbf {x} )),{\hat {\mathbf {y} }}\right]$ $2\times 2$ $C$

Tady

\left|\,\mathbf {E} \,\right|

je amplituda pole a

|\psi \rangle \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\begin{pmatrix}\psi _{x}\\\psi _{y}\end{pmatrix}} ={\begin{pmatrix}\cos \theta \exp \left(i\alpha _{x}\right)\\\sin \theta \exp \left(i\alpha _{y}\right)\end{ pmatrix}}

normalizovaný Jonesův vektor v rovině xy. Pokud se otočí o radián vzhledem k , a amplituda x je rovna amplitudě y, při které má vlna kruhovou polarizaci. Jonesův vektor má tvar ${\displaystyle \alpha _{y))$ $\pi /2$ $\alpha _{x}$

|\psi \rangle ={1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\\pm i\end{pmatrix}}\exp \left(i\alpha _{x }\že jo)

kde znaménko plus značí levou kruhovou polarizaci a znaménko mínus pravostrannou kruhovou polarizaci. V případě kruhové polarizace se vektor elektrického pole konstantní velikosti otáčí v rovině xy.

Pokud jsou základní vektory definovány tak, že

|R\rangle \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\-i\end{pmatrix }}

|L\rangle \ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {1 \over {\sqrt {2}}}{\begin{pmatrix}1\\i\end{pmatrix} }

pak lze stav polarizace zapsat do "RL báze" jako

|\psi \rangle =\psi _{R}|R\rangle +\psi _{L}|L\rangle

kde

{\begin{aligned}\psi _{R}~&{\stackrel {\mathrm {def} }{=}}~{\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\ cos \theta +i\sin \theta \exp \left(i\delta \right)\right)\exp \left(i\alpha _{x}\right)\\\psi _{L}~&{\ stackrel {\mathrm {def} }{=}}~{\frac {1}{\sqrt {2}}}\left(\cos \theta -i\sin \theta \exp \left(i\delta \right )\right)\exp \left(i\alpha _{x}\right)\end{aligned}}

\delta =\alpha _{y}-\alpha _{x}.

Kruhová polarizace v přírodě

V přírodě je známo jen několik mechanismů, které systematicky produkují kruhově polarizované světlo. V roce 1911 Albert Michelson zjistil, že světlo odražené od zlatého skarabea Chrysina resplendens je převážně levotočivé. Od té doby byla kruhová polarizace nalezena u několika dalších brouků skarabeusů , jako je Chrysina gloriosa , [9] a také u některých korýšů , jako je kreveta kudlanka . V těchto případech je hlavním mechanismem helicita chitinózní kutikuly na molekulární úrovni. [10] .

Bioluminiscence larev světlušek je také kruhově polarizovaná, jak bylo uvedeno v roce 1980 pro druhy Photuris lucicrescens a Photuris versicolor . Pro světlušky je obtížnější najít mikroskopické vysvětlení polarizace, protože bylo zjištěno, že levé a pravé lucerny larev vyzařují polarizované světlo s opačnou rotací. Autoři předpokládají, že lineárně polarizované světlo je zpočátku emitováno kvůli nehomogenitám v seřazených fotocytech a stává se kruhově polarizovaným , prochází tkání s lineárním dvojlomem. [jedenáct]

Dalším zdrojem kruhové polarizace jsou rozhraní voda-vzduch. Sluneční světlo, které je rozptýleno zpět od povrchu, je lineárně polarizované. Pokud se toto světlo zcela vnitřně odrazí zpět dolů, jeho vertikální složka podstoupí fázový posun. Pro podvodního pozorovatele, který se dívá vzhůru, je tedy slabé světlo Snellova okénka částečně kruhově polarizované. [12]

Slabší zdroje kruhové polarizace v přírodě zahrnují mnohonásobný rozptyl lineárními polarizátory, jako je kruhově polarizované světlo hvězd, a selektivní absorpci kruhově dichroickými médii .

Uvádí se, že dva druhy kudlanek jsou schopny detekovat kruhově polarizované světlo. [13] [14]

Viz také

Polarizace vln
Polarizátor
Chiralita
stereo kinematografie
Wave plate
Sinusové rovinné řešení rovnice elektromagnetických vln
Fotonová polarizace

Literatura

Landsberg G.S. - Ed. 6. stereo .. - M . : Fizmatlit , 2003. - 848 s. — ISBN 5-9221-0314-8 . .
Narozen M. , Wolf E. Základy optiky. Ed. 2. - M .: "Nauka" , 1973. - 720 s.
Fyzický encyklopedický slovník. — M .: Sovětská encyklopedie , 1984.

Odkazy

↑ IEEE Std 149-1979 (R2008), „Standardní zkušební postupy IEEE pro antény“. Znovu potvrzeno 10. prosince 2008, Schváleno 15. prosince 1977, IEEE-SA Standards Board. Schváleno 9. října 2003, American National Standards Institute. ISBN 0-471-08032-2 . doi : 10.1109/IEEEESTD.1979.120310 , odd. 11.1, str. 61 "pocit polarizace nebo ručkování ... se nazývá pravák (levák), pokud je směr otáčení ve směru hodinových ručiček (proti směru hodinových ručiček) pro pozorovatele, kteří se dívají ve směru šíření"
↑ Elektromagnetické vlny a antény – SJ Orfanidis: Poznámka pod čarou s. 45, „většina technických textů používá konvenci IEEE a většina textů fyziky opačnou konvenci.“
↑ Elektromagnetické vlny a antény – SJ Orfanidis Pg 44 „Stočte prsty levé a pravé ruky v pěst a nasměrujte oba palce ve směru šíření“
↑ Valné shromáždění IAU, 1973, Komise 40 (Radio Astronomy/Radioastronomie), 8. DEFINICE POLARIZACE -- „Byla svolána pracovní skupina vedená Westerhoutem, aby projednala definici teplot polarizačního jasu používaných při popisu polarizovaných rozšířených objektů a Komise 25 a 40 přijala následující usnesení: „ROZŘEŠENO, že referenční rámec pro Stokesovy parametry je rektaascenze a deklinace s polohovým úhlem maxima elektrického vektoru, q, počínaje od severu a rostoucí přes východ. Eliptická polarizace je definována v souladu s definicemi Institutu elektrických a elektronických inženýrů (IEEE Standard 211, 1969). měřená v pevném bodě v prostoru, s časem roste, je popisována jako pravotočivá a pozitivní.“
↑ 1 2 Polarizace ve spektrálních čarách. 2004 E. Landi Degl'innocenti, M. Landolfi Sekce 1.2 „Když... se špička vektoru elektrického pole otáčí ve směru hodinových ručiček pro pozorovatele obráceného ke zdroji záření, ... (bude uvažováno)... pozitivní (nebo pravotočivý ) polární cirkularizace, Naše konvence, ... souhlasí s těmi, které navrhli v klasických učebnicích polarizovaného světla Shurcliff (1952) a Clarke a Grainger (1971) astronomové pracující v oboru polarimetrie Mnoho radioastronomů na druhé straně , použijte opačnou konvenci [1] Archivováno 15. dubna 2021 na Wayback Machine
↑ PŘÍRUČKA OPTIKA Volume I, Devices, Measurements and Properties, Michael Bass Strana 272 Poznámka pod čarou: "Pravokruhově polarizované světlo je definováno jako rotace elektrického vektoru ve směru hodinových ručiček, když se pozorovatel dívá proti směru vlny."
↑ Polarizační elipsa . spie.org . Staženo 13. 4. 2018. Archivováno z originálu 24. 9. 2018. (neurčitý)
↑ Přednášky o fyzice Feynman (Vol. 1, kap. 33-1) „Pokud se konec elektrického vektoru, když se na něj díváme, když světlo přichází přímo k nám, obíhá proti směru hodinových ručiček, nazýváme to ... Naše konvence pro označování levostranné a pravostranné kruhové polarizace je v souladu s konvencí, která se dnes používá pro všechny ostatní částice ve fyzice, které vykazují polarizaci (např. elektrony). Knihy o optice se používají opačné konvence, takže člověk musí být opatrný."
↑ Srinivasarao, Mohan; Park, Jung Ok; Crne, Matija; Sharma, Viveku. Strukturální původ kruhově polarizované iridescence u brouků s drahokamem // Science : journal. - 2009. - 24. července ( roč. 325 , č. 5939 ). - str. 449-451 . - doi : 10.1126/science.1172051 . — PMID 19628862 .
↑ Hegedüs, Ramón; Győző Szelb; Gábor Horváth. Zobrazovací polarimetrie cirkulárně polarizující kutikuly vrubounů (Coleoptera: Rutelidae, Cetoniidae ) // Vision Research : deník. - 2006. - září ( roč. 46 , č. 17 ). - str. 2786-2797 . - doi : 10.1016/j.visres.2006.02.007 . — PMID 16564066 . Archivováno z originálu 21. července 2011.
↑ Wynberg, Hans; Meijer, E. W.; Hummelen, JC; Dekkers, HPJM; Schippers, P.H.; Carlson, AD Kruhová polarizace pozorovaná v bioluminiscenci // Nature . - 1980. - 7. srpna ( roč. 286 , č. 5773 ). - str. 641-642 . - doi : 10.1038/286641a0 . — . Archivováno z originálu 24. července 2011.
↑ Horváth, Gabor; Dezso Varju. Polarizované světlo ve zvířecím vidění : Polarizační vzory v přírodě . - Springer, 2003. - S. 100-103. - ISBN 978-3-540-40457-6 .
↑ Tsyr-Huei Chiou; Sonja Kleinlogel; Tom Cronin; Roy Caldwell; Birte Loeffler; Afsheen Siddiqi; Alan Goldizen; Justin Marshall. Cirkulární polarizační vidění u stomatopodních korýšů // Současná biologie . - Cell Press , 2008. - Vol. 18 , č. 6 . - str. 429-434 . - doi : 10.1016/j.cub.2008.02.066 . — PMID 18356053 .
↑ Sonja Kleinlogel; Andrew Bílý. Tajný svět krevet: polarizační vize v celé své kráse (anglicky) // PLOS One : journal. - 2008. - Sv. 3 , ne. 5 . —P.e2190 . _ doi : 10.1371/ journal.pone.0002190 . - . - arXiv : 0804.2162 . — PMID 18478095 .

Wikimedia Commons má média související s kruhovou polarizací

Slovníky a encyklopedie	Britannica (online)