Поляризация (волны)

Property of waves that can oscillate with more than one orientation

Круговая поляризация на резиновой нити, преобразованная в линейную поляризацию.

Поляризация (также поляризация ) — свойствопоперечных волн, определяющее геометрическую ориентациюколебаний. ^{[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 таком музыкальном инструменте, какгитарная струна. В зависимости от того, как натянута струна, колебания могут происходить в вертикальном, горизонтальном направлении или под любым углом, перпендикулярным струне. Напротив, впродольных волнах, таких какзвуковые волныв жидкости или газе, смещение частиц при колебании всегда происходит в направлении распространения, поэтому эти волны не проявляют поляризации. Поперечные волны, которые проявляют поляризацию, включаютэлектромагнитные волны,такие каксветовыеирадиоволны,гравитационные волны[^6]и поперечные звуковые волны (поперечные волны) в твердых телах.

Электромагнитная волна, такая как свет, состоит из связанных колеблющихся электрического и магнитного полей , которые всегда перпендикулярны друг другу; по соглашению, «поляризация» электромагнитных волн относится к направлению электрического поля. При линейной поляризации поля колеблются в одном направлении. При круговой или эллиптической поляризации поля вращаются с постоянной скоростью в плоскости по мере распространения волны либо в правом, либо в левом направлении.

Свет или другое электромагнитное излучение от многих источников, таких как солнце, пламя и лампы накаливания , состоит из коротких волновых последовательностей с одинаковой смесью поляризаций; это называется неполяризованным светом . Поляризованный свет можно получить, пропуская неполяризованный свет через поляризатор , который пропускает волны только одной поляризации. Наиболее распространенные оптические материалы не влияют на поляризацию света, но некоторые материалы, обладающие двойным лучепреломлением , дихроизмом или оптической активностью , влияют на свет по-разному в зависимости от его поляризации. Некоторые из них используются для изготовления поляризационных фильтров. Свет также становится частично поляризованным, когда он отражается от поверхности под углом.

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

Поляризация является важным параметром в областях науки, связанных с поперечными волнами, таких как оптика , сейсмология , радио и микроволны . Особенно пострадают такие технологии, как лазеры , беспроводная и волоконно-оптическая связь , а также радар .

Введение

Распространение волн и поляризация

кросс-линейная поляризация

Большинство источников света классифицируются как некогерентные и неполяризованные (или только «частично поляризованные»), поскольку 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 рассматривать когерентные плоские волны ; это синусоидальные волны одного конкретного направления (или волнового вектора ), частоты, фазы и состояния поляризации. Характеризуя оптическую систему по отношению к плоской волне с заданными параметрами, можно затем использовать ее для прогнозирования ее реакции в более общем случае, поскольку волну с любой заданной пространственной структурой можно разложить на комбинацию плоских волн (ее так называемую угловой спектр ). Некогерентные состояния можно моделировать стохастически как взвешенную комбинацию таких некоррелированных волн с некоторым распределением частот (его спектра ), фаз и поляризаций.

Поперечные электромагнитные волны

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

Электромагнитные волны (такие как свет), распространяющиеся в свободном пространстве или другой однородной изотропной неослабляющей среде, правильно описываются как поперечные волны , что означает, что вектор электрического поля E и магнитное поле H плоской волны направлены каждое в некотором направлении, перпендикулярном (или «поперечное») направлению распространения волны; E и H также перпендикулярны друг другу. По соглашению направление «поляризации» электромагнитной волны задается вектором ее электрического поля. Рассматривая монохроматическую плоскую волну оптической частоты f (свет вакуумной волны λ имеет частоту f = c/λ , где c — скорость света), возьмем направление распространения за ось z . Поскольку волна является поперечной, поля E и H должны содержать компоненты только в направлениях x и y , тогда как E _z = H _z = 0 . Используя комплексное (или векторное ) обозначение, мгновенные физические электрические и магнитные поля задаются действительными частями комплексных величин, встречающихся в следующих уравнениях. В зависимости от времени t и пространственного положения z (поскольку для плоской волны в направлении + z поля не зависят от x или y ) эти комплексные поля можно записать как:

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

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

λ = λ ₀ / nв средепоказатель преломленияnT = 1/ fe _xe _yh _xh _yволнового числа k = 2π n / λ ₀угловой частотыω = 2π fне+zkzk → ∙ r →k →волновым вектором

Таким образом, каждый из ведущих векторов e и h содержит до двух ненулевых (комплексных) компонентов, описывающих амплитуду и фазу компонентов поляризации волны x и y (опять же, для поперечной волны в направлении + z не может быть компоненты поляризации z ). . Для данной среды с характеристическим импедансом η h связана с e соотношением :

$${\displaystyle {\begin{aligned}h_{y}&={\frac {e_{x}}{\eta }}\\h_{x}&=-{\frac {e_{y}}{\eta }}.\end{aligned}}}$$

В диэлектрике η действительно и имеет значение η ₀ / n , где n — показатель преломления, а η ₀ — импеданс свободного пространства . В проводящей среде импеданс будет комплексным. Обратите внимание, что, учитывая это соотношение, скалярное произведение E и H должно быть равно нулю:

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

ортогональны

Зная направление распространения ( в данном случае + z ) _и η , можно с таким же успехом определить волну в терминах просто ex и e _y, описывающих электрическое поле. Вектор, содержащий e _x и e _y (но без компонента z , который для поперечной волны обязательно равен нулю), известен как вектор Джонса . Помимо определения состояния поляризации волны, общий вектор Джонса также определяет общую величину и фазу этой волны. В частности, интенсивность световой волны пропорциональна сумме квадратов величин двух компонентов электрического поля:

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

Однако состояние поляризации волны зависит только от (комплексного) отношения e _y к ex _. Итак, давайте просто рассмотрим волны, | е _х | ² + | е _й | ² = 1 ; это соответствует интенсивности около0,00133 Вт /м ²  в свободном пространстве (где η = η ₀ ) . А поскольку абсолютная фаза волны не имеет значения при обсуждении состояния ее поляризации, давайте оговорим, что фаза e _x равна нулю; другими словами, _ex — действительное число, тогда как e _y может быть комплексным. С учетом этих ограничений ex и e _y можно представить следующим образом _:

$${\displaystyle {\begin{aligned}e_{x}&={\sqrt {\frac {1+Q}{2}}}\\e_{y}&={\sqrt {\frac {1-Q}{2}}}\,e^{i\phi },\end{aligned}}}$$

Q−1 < Q < 1φ

Непоперечные волны

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

Рассматривая только электромагнитные волны, отметим, что предыдущее обсуждение строго применимо к плоским волнам в однородной изотропной незатухающей среде, тогда как в анизотропной среде (такой как кристаллы с двойным лучепреломлением, обсуждаемые ниже) электрическое или магнитное поле может иметь как продольное, так и продольное поперечные компоненты. В этих случаях электрическое смещение D и плотность магнитного потока B ^{[ необходимы пояснения ]} по-прежнему подчиняются вышеуказанной геометрии, но из-за анизотропии электрической восприимчивости (или магнитной проницаемости ), теперь задаваемой тензором , направление E (или H ) может отличаться от D (или B ). Даже в изотропных средах в среду, показатель преломления которой имеет значительную мнимую часть (или « коэффициент затухания »), например в металлы, могут запускаться так называемые неоднородные волны; ^{[ нужны разъяснения ]} эти поля также не являются строго поперечными. ^{[9] : 179–184  [10] : 51–52} Поверхностные волны или волны, распространяющиеся в волноводе (например, в оптическом волокне ), обычно не являются поперечными волнами, но могут быть описаны как электрическая или магнитная поперечная мода или гибридная мода. режим.

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

Для продольных волн , таких как звуковые волны в жидкостях , направление колебаний по определению совпадает с направлением движения, поэтому вопрос поляризации обычно даже не упоминается. С другой стороны, звуковые волны в объемном твердом теле могут быть как поперечными, так и продольными, всего имеется три компонента поляризации. При этом поперечная поляризация связана с направлением напряжения сдвига и смещения в направлениях, перпендикулярных направлению распространения, а продольная поляризация описывает сжатие твердого тела и вибрацию вдоль направления распространения. Дифференциальное распространение поперечной и продольной поляризаций имеет важное значение в сейсмологии .

Состояние поляризации

Колебания электрического поля

Поляризацию лучше всего понять, если первоначально рассматривать только чистые состояния поляризации и только когерентную синусоидальную волну на некоторой оптической частоте. Вектор на соседней диаграмме может описывать колебания электрического поля, излучаемого одномодовым лазером (частота колебаний которого обычно в 10 ¹⁵ раз выше). Поле колеблется в плоскости xy вдоль страницы, причем волна распространяется в направлении z , перпендикулярном странице. Первые две диаграммы ниже отображают вектор электрического поля в течение полного цикла для линейной поляризации в двух разных ориентациях; каждое из них считается отдельным состоянием поляризации (SOP). Обратите внимание, что линейную поляризацию под углом 45° можно также рассматривать как сложение 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 три ортогональные проекции.

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

Теперь, если бы кто-то ввел фазовый сдвиг между этими компонентами горизонтальной и вертикальной поляризации, то обычно получил бы эллиптическую поляризацию ^[12] , как показано на третьем рисунке. Когда фазовый сдвиг составляет ровно ±90°, возникает круговая поляризация (четвертый и пятый рисунки). Таким образом, на практике создается круговая поляризация, начиная с линейно поляризованного света и используя четвертьволновую пластинку для введения такого фазового сдвига. Результат двух таких сдвинутых по фазе компонентов, вызывающих вращающийся вектор электрического поля, показан на анимации справа. Обратите внимание, что круговая или эллиптическая поляризация может включать вращение поля как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Они соответствуют различным состояниям поляризации, таким как две круговые поляризации, показанные выше.

Конечно, ориентация осей x и y , используемая в этом описании, является произвольной. Выбор такой системы координат и рассмотрение эллипса поляризации через компоненты поляризации x и y соответствует определению вектора Джонса (ниже) в терминах этих базисных поляризаций. Обычно выбирают оси для решения конкретной задачи, например, когда x находится в плоскости падения. Поскольку существуют отдельные коэффициенты отражения для линейных поляризаций в плоскости падения и ортогональных ей ( p- и s -поляризации, см. ниже), этот выбор значительно упрощает расчет отражения волны от поверхности.

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

Эллипс поляризации

Рассмотрим чисто поляризованную монохроматическую волну. Если бы нужно было построить вектор электрического поля за один цикл колебаний, обычно был бы получен эллипс, как показано на рисунке, соответствующий определенному состоянию эллиптической поляризации . Обратите внимание, что линейную поляризацию и круговую поляризацию можно рассматривать как частные случаи эллиптической поляризации.

Затем состояние поляризации можно описать с учетом геометрических параметров эллипса и его «направленности», то есть того, происходит ли вращение вокруг эллипса по часовой стрелке или против часовой стрелки. Одна параметризация эллиптической фигуры задает угол ориентации ψ , определяемый как угол между большой осью эллипса и осью x ^[13], а также эллиптичность ε  =  a/b , отношение большой и малой осей эллипса. . ^{[14] [15] [16]} (также известное как осевое передаточное число ). Параметр эллиптичности — это альтернативная параметризация эксцентриситета эллипса или угла эллиптичности , как показано на рисунке. ^[13] Угол χ также важен тем, что широта (угол от экватора) состояния поляризации, представленного на сфере Пуанкаре (см. ниже), равна ±2 χ . Особые случаи линейной и круговой поляризации соответствуют эллиптичности ε , равной бесконечности и единице (или χ , равному нулю и 45°) соответственно. ${\textstyle e={\sqrt {1-b^{2}/a^{2}}},}$ ${\textstyle \chi =\arctan b/a}$ ${\textstyle =\arctan 1/\varepsilon }$

Вектор Джонса

Полную информацию о полностью поляризованном состоянии дают также амплитуда и фаза колебаний двух компонент вектора электрического поля в плоскости поляризации. Это представление было использовано выше, чтобы показать, как возможны различные состояния поляризации. Информацию об амплитуде и фазе можно удобно представить в виде двумерного комплексного вектора ( вектор Джонса ):

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

Здесь и обозначают амплитуду волны в двух компонентах вектора электрического поля, а и – фазы. Произведение вектора Джонса на комплексное число единичных модулей дает другой вектор Джонса, представляющий тот же эллипс и, следовательно, то же состояние поляризации. Физическое электрическое поле, как реальная часть вектора Джонса, будет изменено, но само состояние поляризации не зависит от абсолютной фазы . Базисные векторы, используемые для представления вектора Джонса, не обязательно должны представлять состояния линейной поляризации (т.е. быть действительными ) . В общем, можно использовать любые два ортогональных состояния, где пара ортогональных векторов формально определяется как имеющая нулевой внутренний продукт . Обычно выбирают левую и правую круговую поляризацию, например, для моделирования различного распространения волн в двух таких компонентах в средах с круговым двойным лучепреломлением (см. Ниже) или путях прохождения сигналов когерентных детекторов, чувствительных к круговой поляризации. ${\displaystyle a_{1}}$ ${\displaystyle a_{2}}$ ${\displaystyle \theta _{1}}$ ${\displaystyle \theta _{2}}$

Координатная система

Независимо от того, представлено ли состояние поляризации с помощью геометрических параметров или векторов Джонса, в параметризации неявно указывается ориентация системы координат. Это обеспечивает некоторую степень свободы, а именно вращение вокруг направления распространения. При рассмотрении света, распространяющегося параллельно поверхности Земли, часто используются термины «горизонтальная» и «вертикальная» поляризация, причем первая связана с первой составляющей вектора Джонса или нулевым азимутальным углом. С другой стороны, в астрономии вместо этого обычно используется экваториальная система координат, при этом нулевой азимут (или позиционный угол, как его чаще называют в астрономии, чтобы избежать путаницы с горизонтальной системой координат ) , соответствующий строгому северу.

обозначения s и p

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

Другая часто используемая система координат относится к плоскости падения . Это плоскость, образованная направлением входящего распространения и вектором, перпендикулярным плоскости границы раздела, другими словами, плоскость, в которой луч движется до и после отражения или преломления. Компонента электрического поля, параллельная этой плоскости, называется p-подобной (параллельной), а составляющая, перпендикулярная этой плоскости, называется s-подобной (от senkrecht , что по-немецки означает перпендикуляр). Поляризованный свет с электрическим полем вдоль плоскости падения называется p-поляризованным , а свет, электрическое поле которого перпендикулярно плоскости падения, называется s-поляризованным . P- поляризация обычно называется поперечно-магнитной (TM), а также называется пи-поляризацией или тангенциальной плоскополяризованной . S- поляризацию еще называют поперечно-электрической (TE), а также сигма-поляризованной или сагиттальной плоскополяризованной .

Степень поляризации

Степень поляризации ( DOP ) — это величина, используемая для описания поляризованной части электромагнитной волны . DOP можно рассчитать по параметрам Стокса . Идеально поляризованная волна имеет DOP 100%, тогда как неполяризованная волна имеет DOP 0%. Волна, которая частично поляризована и, следовательно, может быть представлена ​​суперпозицией поляризованной и неполяризованной составляющей, будет иметь DOP где-то между 0 и 100%. DOP рассчитывается как доля общей мощности, переносимая поляризованной составляющей волны.

ДОФ можно использовать для картирования поля деформаций в материалах при рассмотрении ДОФ фотолюминесценции . Поляризация фотолюминесценции связана с деформацией материала через тензор фотоупругости данного материала .

DOP также визуализируется с использованием представления поляризованного луча в виде сферы Пуанкаре . В этом представлении DOP равна длине вектора, отсчитываемого от центра сферы.

Неполяризованный и частично поляризованный свет.

Неполяризованный свет — это свет со случайной, изменяющейся во времени поляризацией . Естественный свет, как и большинство других распространенных источников видимого света, создается независимо большим количеством атомов или молекул, выбросы которых не коррелируют .

Неполяризованный свет может быть получен из некогерентной комбинации вертикального и горизонтального линейно поляризованного света или света с правой и левой круговой поляризацией . ^[17] И наоборот, два составляющих линейно поляризованных состояния неполяризованного света не могут образовывать интерференционную картину , даже если их повернуть в выравнивание ( третий закон Френеля-Араго ). ^[18]

Так называемый деполяризатор воздействует на поляризованный луч, создавая луч, в котором поляризация меняется поперек луча настолько быстро, что ее можно игнорировать в предполагаемых приложениях. И наоборот, поляризатор воздействует на неполяризованный луч или луч с произвольной поляризацией, создавая поляризованный луч.

Неполяризованный свет можно описать как смесь двух независимых противоположно поляризованных потоков, каждый из которых имеет половину интенсивности. ^{[19] [20]} Говорят, что свет частично поляризован , 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. ^{[21] : 346–347  [22] : 330} Тогда можно описать свет через степень поляризации и параметры поляризованной компоненты. Этот поляризованный компонент можно описать с помощью вектора Джонса или эллипса поляризации. Однако, чтобы также описать степень поляризации, обычно используют параметры Стокса, чтобы указать состояние частичной поляризации. ^{[21] : 351, 374–375.}

Последствия для отражения и распространения

Поляризация при распространении волн

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

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

где k — волновое число . Как отмечалось выше, мгновенное электрическое поле представляет собой действительную часть произведения вектора Джонса на фазовый коэффициент . Когда электромагнитная волна взаимодействует с веществом, ее распространение изменяется в зависимости от (комплексного) показателя преломления материала . Когда действительная или мнимая часть этого показателя преломления зависит от состояния поляризации волны, свойств, известных как двойное лучепреломление и дихроизм поляризации (или дизатухание ) соответственно, тогда состояние поляризации волны обычно изменяется. ${\displaystyle e^{-i\omega t}}$

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

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

Матрица Джонса, возникающая при прохождении через прозрачный материал, зависит от расстояния распространения, а также от двойного лучепреломления. Двулучепреломление (как и средний показатель преломления), как правило, будет дисперсионным , то есть будет меняться в зависимости от оптической частоты (длины волны). Однако в случае материалов, не являющихся двулучепреломляющими, матрица Джонса 2×2 является единичной матрицей (умноженной на скалярный фазовый коэффициент и коэффициент затухания), что подразумевает отсутствие изменения поляризации во время распространения.

Для эффектов распространения в двух ортогональных модах матрицу Джонса можно записать как

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

где g ₁ и g ₂ - комплексные числа, описывающие фазовую задержку и, возможно, затухание амплитуды из-за распространения в каждой из двух собственных мод поляризации. T представляет собой унитарную матрицу , представляющую переход от этих мод распространения к линейной системе, используемой для векторов Джонса; в случае линейного двойного лучепреломления или ослабления моды сами по себе являются состояниями линейной поляризации, поэтому T и T ^-1 можно опустить, если оси координат были выбраны соответствующим образом.

Двулучепреломление

В двулучепреломляющем веществе электромагнитные волны разной поляризации движутся с разной скоростью ( фазовой скоростью ). В результате, когда неполяризованные волны проходят через пластину из двулучепреломляющего материала, одна компонента поляризации имеет более короткую длину волны, чем другая, что приводит к разнице фаз между компонентами, которая увеличивается по мере дальнейшего прохождения волн через материал. Матрица Джонса является унитарной матрицей : | г ₁ | = | г ₂ | = 1. Среда, называемая дизатухающей (или дихроичной в смысле поляризации), в которой дифференциально воздействуют только на амплитуды двух поляризаций, может быть описана с использованием эрмитовой матрицы (обычно умноженной на общий фазовый коэффициент). Фактически, поскольку любую матрицу можно записать как произведение унитарной и положительной эрмитовой матриц, распространение света через любую последовательность поляризационно-зависимых оптических компонентов можно записать как произведение этих двух основных типов преобразований.

Цветной рисунок пластиковой коробки, показывающий двойное лучепреломление, вызванное напряжением, когда она помещена между двумя скрещенными поляризаторами .

В двулучепреломляющих средах затухания нет, но две моды имеют дифференциальную фазовую задержку. Хорошо известные проявления линейного двойного лучепреломления (то есть, когда базисные поляризации представляют собой ортогональные линейные поляризации) проявляются в оптических волновых пластинках /замедлителях и многих кристаллах. Если линейно поляризованный свет проходит через двулучепреломляющий материал, его состояние поляризации обычно меняется, если только направление его поляризации не идентично одной из этих базовых поляризаций. Поскольку фазовый сдвиг и, следовательно, изменение состояния поляризации обычно зависит от длины волны, такие объекты, рассматриваемые в белом свете между двумя поляризаторами, могут вызывать красочные эффекты, как видно на прилагаемой фотографии.

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

Пути векторов в сфере Пуанкаре в условиях двойного лучепреломления. Моды распространения (оси вращения) показаны красными, синими и желтыми линиями, начальные векторы — толстыми черными линиями, а пути, по которым они проходят, — цветными эллипсами (которые представляют собой трехмерные круги).

Можно представить себе случай линейного двойного лучепреломления (с двумя ортогональными линейными модами распространения) с падающей волной, линейно поляризованной под углом 45° к этим модам. Когда начинает нарастать дифференциальная фаза, поляризация становится эллиптической, в конечном итоге меняясь на чисто круговую поляризацию (разность фаз 90°), затем на эллиптическую и, наконец, на линейную поляризацию (фаза 180°), перпендикулярную исходной поляризации, а затем снова на круговую (270°). °), затем эллиптический с исходным углом азимута и, наконец, обратно в исходное линейно поляризованное состояние (фаза 360 °), где цикл начинается заново. В целом ситуация сложнее и может быть охарактеризована как вращение сферы Пуанкаре вокруг оси, определяемой модами распространения. Примеры линейного (синего), кругового (красного) и эллиптического (желтого) двойного лучепреломления показаны на рисунке слева. Общая интенсивность и степень поляризации не изменяются. Если длина пути в двулучепреломляющей среде достаточна, две поляризационные компоненты коллимированного луча (или луча ) могут выйти из материала со смещением положения, даже если их окончательные направления распространения будут одинаковыми (при условии, что входная и выходная поверхности параллельны). Обычно это наблюдается с использованием кристаллов кальцита , которые представляют зрителю два слегка смещенных изображения в противоположных поляризациях объекта за кристаллом. Именно этот эффект обеспечил первое открытие поляризации Эразмом Бартолином в 1669 году.

Дихроизм

Среды, в которых преимущественно снижается пропускание одной моды поляризации, называются дихроичными или затухающими . Как и двойное лучепреломление, дизатухание может происходить по отношению к модам линейной поляризации (в кристалле) или модам круговой поляризации (обычно в жидкости).

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

Зеркальное отражение

Помимо двойного лучепреломления и дихроизма в протяженных средах, эффекты поляризации, описываемые с помощью матриц Джонса, также могут возникать на (отражающей) границе раздела между двумя материалами с разными показателями преломления . Эти эффекты рассматриваются уравнениями Френеля . Часть волны передается, а часть отражается; для данного материала эти пропорции (а также фаза отражения) зависят от угла падения и различны для s- и p- поляризаций. Следовательно, состояние поляризации отраженного света (даже если он изначально неполяризован) обычно изменяется.

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

Любой свет, падающий на поверхность под особым углом падения, известным как угол Брюстера , где коэффициент отражения для p- поляризации равен нулю, будет отражаться, оставляя только s -поляризацию. Этот принцип используется в так называемом поляризаторе «стопка пластин» (см. Рисунок), в котором часть s- поляризации удаляется путем отражения от каждой поверхности угла Брюстера, оставляя только p - поляризацию после прохождения через множество таких поверхностей. Обычно меньший коэффициент отражения p- поляризации также является основой поляризованных солнцезащитных очков ; блокируя s (горизонтальную) поляризацию, удаляется большая часть бликов, вызванных, например, отражением от мокрой улицы. ^{[23] : 348–350}

В важном частном случае отражения при нормальном падении (без использования анизотропных материалов) не существует особой s- или p- поляризации. Компоненты поляризации x и y отражаются одинаково, и поэтому поляризация отраженной волны идентична поляризации падающей волны. Однако в случае круговой (или эллиптической) поляризации направление состояния поляризации меняется на противоположное, поскольку по соглашению оно задается относительно направления распространения. Круговое вращение электрического поля вокруг осей xy , называемое «правым» для волны в направлении +z, является «левым» для волны в направлении -z . Но в общем случае отражения под ненулевым углом падения такое обобщение сделать невозможно. Например, правополяризованный свет, отраженный от поверхности диэлектрика под углом скольжения, по-прежнему будет правополяризованным (но эллиптически). Линейно поляризованный свет, отраженный от металла при ненормальном падении, обычно становится эллиптически поляризованным. Эти случаи обрабатываются с использованием векторов Джонса, на которые действуют различные коэффициенты Френеля для компонентов поляризации s и p .

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 можно было упомянуть.

Измерение стресса

Стресс в пластиковых очках

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

Эллипсометрия

Эллипсометрия — 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 чтобы его задняя сторона была доступна.

Эллипсометрию можно использовать для моделирования (комплексного) показателя преломления поверхности сыпучего материала. Это также очень полезно при определении параметров одного или нескольких слоев тонкой пленки , нанесенных на подложку. Благодаря их отражательным свойствам , не только прогнозируется величина компонентов p- и s -поляризации, но и их относительные фазовые сдвиги при отражении по сравнению с измерениями с использованием эллипсометра. Обычный эллипсометр измеряет не реальный коэффициент отражения (что требует тщательной фотометрической калибровки освещающего луча), а соотношение p- и s - отражения, а также изменение эллиптичности поляризации (отсюда и название), вызванное отражением от исследуемой поверхности. изучал. Помимо использования в науке и исследованиях, эллипсометры используются на месте, например, для контроля производственных процессов. ^{[24] : 585 и далее  [25] : 632}

Геология

Микрофотография зерна вулканического песка ; верхнее изображение — плоскополяризованный свет, нижнее изображение — кроссполяризованный свет, масштабная рамка слева по центру — 0,25 миллиметра.

Свойство (линейного) двойного лучепреломления широко распространено в кристаллических минералах и действительно сыграло решающую роль в первоначальном открытии поляризации. В минералогии это свойство часто используется с помощью поляризационных микроскопов с целью идентификации минералов. Более подробную информацию см. в разделе «Оптическая минералогия» . ^{[26] : 163–164.}

Звуковые волны в твердых материалах обладают поляризацией. Дифференциальное распространение трех поляризаций через Землю имеет решающее значение в области сейсмологии . Сейсмические волны с горизонтальной и вертикальной поляризацией ( поперечные волны ) называются SH и SV, а волны с продольной поляризацией ( волны сжатия ) называются P-волнами. ^{[27] : 48–50  [28] : 56–57}

Химия

Мы видели (выше), что двойное лучепреломление того или иного типа кристаллов полезно для его идентификации, и поэтому обнаружение линейного двойного лучепреломления особенно полезно в геологии и минералогии . Состояние поляризации линейно поляризованного света обычно изменяется при прохождении через такой кристалл, что делает его заметным, если смотреть 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, но может наблюдаться круговое двойное лучепреломление, когда хиральная молекула находится в растворе. Когда правые и левые энантиомеры такой молекулы присутствуют в равных количествах (так называемая рацемическая смесь), их эффекты компенсируются. Однако, когда имеется только одна молекула (или ее преобладание), как это чаще всего бывает в случае органических молекул , наблюдается чистое круговое двойное лучепреломление (или оптическая активность ), раскрывающее величину этого дисбаланса (или концентрацию молекулы). сам по себе, когда можно предположить, что присутствует только один энантиомер). Это измеряется с помощью поляриметра , в котором поляризованный свет проходит через трубку с жидкостью, на конце которой находится другой поляризатор, который вращается, чтобы свести на нет пропускание света через него. ^{[23] : 360–365  [29]}

Астрономия

Во многих областях астрономии большое значение имеет изучение поляризованного электромагнитного излучения из космического пространства . Хотя поляризация обычно не является фактором теплового излучения звезд , она также присутствует в излучении когерентных астрономических источников (например, гидроксильных или метанольных мазеров ) и некогерентных источников, таких как большие радиодоли в активных галактиках, и радиоизлучении пульсаров (которое может , как предполагается, иногда бывает когерентным), а также накладывается на звездный свет в результате рассеяния на межзвездной пыли . Помимо предоставления информации об источниках излучения и рассеяния, поляризация также исследует межзвездное магнитное поле посредством фарадеевского вращения . ^{[30] : 119, 124  [31] : 336–337} Поляризация космического микроволнового фона используется для изучения физики очень ранней Вселенной. ^{[32] [33]} Синхротронное излучение по своей природе поляризовано. Было высказано предположение, что астрономические источники вызвали хиральность биологических молекул на Земле. ^[34]

Приложения и примеры

Поляризационные солнцезащитные очки

Влияние поляризатора на отражение от илистых отмелей. На рисунке слева горизонтально ориентированный поляризатор преимущественно пропускает эти отражения; поворот поляризатора на 90° (вправо), как если бы вы смотрели в поляризованных солнцезащитных очках, блокирует почти весь зеркально отраженный солнечный свет.

Можно проверить, поляризованы ли солнцезащитные очки, посмотрев на 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 начале 1800-х годов математик Этьен-Луи Малюс , в честь которого назван закон Малюса . Поляризационные солнцезащитные очки используют этот эффект для уменьшения бликов от отражений от горизонтальных поверхностей, особенно от дороги впереди, если смотреть под углом.

Владельцы поляризационных солнцезащитных очков могут время от времени наблюдать непреднамеренные эффекты поляризации, такие как цветозависимые эффекты двойного лучепреломления, например, в закаленном стекле (например, автомобильных окнах) или предметах, изготовленных из прозрачного пластика , в сочетании с естественной поляризацией за счет отражения или рассеяния. Поляризованный свет ЖК-мониторов (см. ниже) чрезвычайно заметен, когда их носят.

Поляризация неба и фотография

Эффект поляризационного фильтра (правое изображение) на небе на фотографии.

Поляризация наблюдается в свете неба , так как это происходит из-за солнечного света , рассеянного аэрозолями при его прохождении через атмосферу Земли . Рассеянный свет создает яркость и цвет ясного неба. Эту частичную поляризацию рассеянного света можно использовать для затемнения неба на фотографиях, увеличивая контраст. Наиболее сильно этот эффект наблюдается в точках неба, расположенных под углом 90° к Солнцу. Поляризационные фильтры используют эти эффекты для оптимизации результатов фотографирования сцен, в которых присутствует отражение или рассеяние небом. ^{[23] : 346–347  [35] : 495–499}

Цветные полосы в небесном бассейне Embassy Gardens , если смотреть через поляризатор, из-за двойного лучепреломления, вызванного напряжением в световом люке.

Поляризация неба использовалась для ориентации в навигации. Небесный компас Пфунда использовался в 1950-х годах для навигации вблизи полюсов магнитного поля Земли, когда ни солнце , ни звезды не были видны (например, под дневными облаками или в сумерках ). Было высказано противоречивое предположение, что викинги использовали подобное устройство (« солнечный камень ») в своих обширных экспедициях через Северную Атлантику в 9–11 веках, до прибытия магнитного компаса из Азии в Европу в 12 веке. . С небесным компасом связаны « полярные часы », изобретенные Чарльзом Уитстоном в конце 19 века. ^{[36] : 67–69}

Технологии отображения

Принцип технологии жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) основан на вращении оси линейной поляризации жидкокристаллической матрицей. Свет от подсветки (или заднего отражающего слоя в устройствах, не включающих подсветку или требующих ее) сначала проходит через лист линейной поляризации. Этот поляризованный свет проходит через реальный слой жидкого кристалла, который может быть организован в пикселях (для монитора телевизора или компьютера) или в другом формате, таком как семисегментный дисплей или дисплей с пользовательскими символами для конкретного продукта. Слой жидких кристаллов создается с постоянной правосторонней (или левосторонней) киративностью и по существу состоит из крошечных спиралей . Это вызывает круговое двойное лучепреломление и спроектировано таким образом, чтобы состояние линейной поляризации поворачивалось на 90 градусов. Однако когда к ячейке прикладывается напряжение, молекулы выпрямляются, уменьшая или полностью теряя круговое двойное лучепреломление. На смотровой стороне дисплея находится еще один лист линейной поляризации, обычно ориентированный под углом 90 градусов к листу, расположенному за активным слоем. Следовательно, когда круговое двойное лучепреломление устраняется применением 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 приводит к тому, что она точно совпадает с осью переднего поляризатора, пропуская свет. Промежуточные напряжения создают промежуточное вращение оси поляризации, и пиксель имеет промежуточную интенсивность. Дисплеи, основанные на этом принципе, широко распространены и в настоящее время используются в подавляющем большинстве телевизоров, компьютерных мониторов и видеопроекторов, что делает предыдущую технологию ЭЛТ по существу устаревшей. Использование поляризации в работе ЖК-дисплеев сразу бросается в глаза тому, кто носит поляризационные солнцезащитные очки, что часто делает дисплей нечитаемым.

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

Компьютерные ЭЛТ-дисплеи, хотя и устарели, страдают от отражения от стеклянной оболочки, вызывая блики от комнатного освещения и, как следствие, плохую контрастность. Для решения этой проблемы было использовано несколько антибликовых решений. В одном из решений использовался принцип отражения света с круговой поляризацией. Фильтр с круговой поляризацией перед экраном позволяет передавать (скажем) только комнатный свет с правой круговой поляризацией. Теперь свет с правой круговой поляризацией (в зависимости от используемого соглашения ) имеет направление электрического (и магнитного) поля, вращающееся по часовой стрелке и распространяющееся в направлении +z. После отражения поле по-прежнему имеет то же направление вращения, но теперь распространяется в направлении -z, в результате чего отраженная волна остается циркулярно поляризованной. Если фильтр с правой круговой поляризацией расположен перед отражающим стеклом, нежелательный свет, отраженный от стекла, будет находиться в состоянии очень высокой поляризации, которое блокируется этим фильтром, что устраняет проблему отражения. Изменение круговой поляризации при отражении и устранение отражений таким образом можно легко наблюдать, глядя в зеркало в очках для трехмерного кино, в которых в двух линзах используется левая и правая круговая поляризация. Закрыв один глаз, другой глаз увидит отражение, в котором он не может видеть самого себя; эта линза кажется черной. Однако другая линза (закрытого глаза) будет иметь правильную круговую поляризацию, позволяющую легко видеть закрытый глаз открытым.

Радиопередача и прием

Все радио (и микроволновые) антенны , используемые для передачи или приема, имеют внутреннюю поляризацию. Они передают (или принимают сигналы) определенной поляризации, будучи совершенно нечувствительными к противоположной поляризации; в некоторых случаях поляризация является функцией направления. Большинство антенн номинально имеют линейную поляризацию, но возможна эллиптическая и круговая поляризация. Как принято в оптике, под «поляризацией» радиоволны понимают поляризацию ее электрического поля, при этом магнитное поле поворачивается на 90 градусов по отношению к ней для линейно поляризованной волны.

Подавляющее большинство антенн имеют линейную поляризацию. Фактически, из соображений симметрии можно показать, что антенна, которая полностью лежит в плоскости, включающей также наблюдателя, может иметь поляризацию только в направлении этой плоскости. Это применимо ко многим случаям, позволяя легко сделать вывод о поляризации такой антенны в заданном направлении распространения. Таким образом, типичная антенна Яги на крыше или логопериодическая антенна с горизонтальными проводниками, если смотреть со второй станции в сторону горизонта, обязательно имеет горизонтальную поляризацию. Но вертикальная « штыревая антенна » или радиовещательная вышка AM, используемая в качестве антенного элемента (опять же, для наблюдателей, смещенных от нее горизонтально), будет передавать в вертикальной поляризации. Антенна турникета , четыре плеча которой расположены в горизонтальной плоскости, также передает горизонтально поляризованное излучение к горизонту. Однако когда та же турникетная антенна используется в «осевом режиме» (вверх, для той же горизонтально ориентированной конструкции), ее излучение имеет круговую поляризацию. На средних 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 уменьшена (или, в очень контролируемых условиях, сведена к нулю). Этот принцип используется в спутниковом телевидении для удвоения пропускной способности канала в фиксированном диапазоне частот. Один и тот же частотный канал может использоваться для передачи двух сигналов в противоположных поляризациях. Настраивая приемную антенну на ту или иную поляризацию, можно выбрать любой сигнал без помех от другого.

В частности, из-за наличия земли существуют некоторые различия в распространении (а также в отражениях, ответственных за телевизионные ореолы ) между горизонтальной и вертикальной поляризацией. В радиовещании AM и FM обычно используется вертикальная поляризация, а в телевидении — горизонтальная поляризация. Особенно на низких частотах избегают горизонтальной поляризации. 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 нейтрализовать друг друга. Этой проблемы можно избежать с помощью вертикальной поляризации. Поляризация также важна при передаче радиолокационных импульсов и приеме отражений радара той же или другой антенной. Например, обратного рассеяния радиолокационных импульсов каплями дождя можно избежать, используя круговую поляризацию. Точно так же, как зеркальное отражение света с круговой поляризацией меняет направленность поляризации, как обсуждалось выше, тот же принцип применим и к рассеянию объектами, размер которых намного меньше длины волны, такими как капли дождя. С другой стороны, отражение этой волны от металлического объекта неправильной формы (например, самолета) обычно приводит к изменению поляризации и (частичному) приему обратной волны той же антенной.

Эффект свободных электронов в ионосфере в сочетании с магнитным полем Земли вызывает фарадеевское вращение , своего рода круговое двойное лучепреломление. Это тот же механизм, который может вращать ось линейной поляризации электронами в межзвездном пространстве , как указано ниже. Величина фарадеевского вращения, вызванного такой плазмой, сильно преувеличена на более низких частотах, поэтому на более высоких микроволновых частотах, используемых спутниками, эффект минимален. Однако сильно страдают передачи средних и коротких волн , полученные после рефракции в ионосфере . Поскольку путь волны через ионосферу и вектор магнитного поля Земли на таком 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 год.

Поляризация и зрение

Многие животные способны воспринимать некоторые компоненты поляризации света, например, линейный горизонтально поляризованный свет. Обычно это используется в навигационных целях, поскольку линейная поляризация небесного света всегда перпендикулярна направлению Солнца. Эта способность очень распространена среди насекомых , включая пчел , которые используют эту информацию для ориентации своих коммуникативных танцев . ^{[36] : 102–103} Чувствительность к поляризации также наблюдалась у видов осьминогов , кальмаров , каракатиц и креветок-богомолов . ^{[36] : 111–112} В последнем случае один вид измеряет все шесть ортогональных компонентов поляризации и, как полагают, обладает оптимальным поляризационным зрением. ^[37] Быстро меняющиеся, ярко окрашенные узоры кожи каракатиц, используемые для общения, также включают в себя узоры поляризации, а известно, что креветки-богомолы обладают поляризационно-селективной отражающей тканью. Считалось, что голуби воспринимают поляризацию неба , что, как предполагалось, было одним из их помощников в возвращении домой , но исследования показывают, что это популярный миф. ^[38]

Невооруженный человеческий глаз слабо чувствителен к поляризации, поэтому дополнительные фильтры не требуются. Поляризованный свет создает очень слабый узор вблизи центра поля зрения, называемый кистью Хайдингера . Эту картину очень трудно увидеть, но с практикой можно научиться обнаруживать поляризованный свет невооруженным глазом. ^{[36] : 118}

Угловой момент с использованием круговой поляризации

Хорошо известно, что электромагнитное излучение несет в направлении распространения определенный линейный импульс . Кроме того, однако, свет несет определенный угловой момент , если он поляризован по кругу (или частично). По сравнению с более низкими частотами, такими как микроволны, величина углового момента света , даже чистой круговой поляризации, по сравнению с линейным моментом той же волны (или радиационным давлением ) очень мала, и ее трудно даже измерить. Однако в эксперименте он был использован для достижения скорости до 600 миллионов оборотов в минуту. ^{[39] [40]}

Смотрите также

Квантовая физика

• Плоскость поляризации
• Спиновый угловой момент света

Оптика

• Деполяризатор (оптика)
• Анизотропия флуоресценции
• Призма Глана – Тейлора
• Эффект Керра
• Николь призма
• Эффект Поккельса
• Поляризационный ротатор
• Микроскопия поляризованного света
• поляризатор
• Полароид (поляризатор)
• Радиальная поляризация
• Модель неба Рэлея
• Волновая пластина

Рекомендации

Цитированные ссылки

1. Шипман, Джеймс; Уилсон, Джерри Д.; Хиггинс, Чарльз А. (2015). Введение в физику, 14-е изд. Cengage Обучение. п. 187. ИСБН 978-1-305-54467-3.
2. Манкастер, Роджер (1993). Физика уровня A. Нельсон Торнс. стр. 465–467. ISBN 0-7487-1584-3.
3. Сингх, Деврадж (2015). Основы оптики, 2-е изд. PHI Learning Pvt. ООО с. 453. ИСБН 978-8120351462.
4. Авадханулу, Миннесота (1992). Учебник инженерной физики. Издательство С. Чанд. стр. 198–199. ISBN 8121908175.
5. Демарэ, Луи (1997). Прикладная электрооптика. Пирсон Образование. стр. 162–163. ISBN 0-13-244182-9.
6. Ле Тик, А.; Новак, Дж. (июль 2016 г.). «Теория гравитационных волн». Обзор гравитационных волн . стр. 1–41. arXiv : 1607.04202 . дои : 10.1142/9789813141766_0001. ISBN 978-981-314-175-9. S2CID  119283594.
7. Липсон, Стивен Г.; Липсон, Генри; Тангхаузер, Дэвид Стефан (1995). Оптическая физика. Издательство Кембриджского университета. стр. 125–127. ISBN 978-0-521-43631-1.
8. Уолдман, Гэри (2002). Введение в свет: физика света, зрения и цвета. Курьерская компания. стр. 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-Х.
10. Джеффри Нью (7 апреля 2011 г.). Введение в нелинейную оптику . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-139-50076-0.
11. Дорн, Р.; Квабис С. и Лойхс Г. (декабрь 2003 г.). «Более четкая фокусировка радиально поляризованного светового луча». Письма о физических отзывах . 91 (23): 233901. Бибкод : 2003PhRvL..91w3901D. doi : 10.1103/PhysRevLett.91.233901. ПМИД  14683185.
12. Чандрасекхар, Субраманян (1960). Радиационный перенос . Дувр. п. 27. ISBN 0-486-60590-6. ОКЛК  924844798.
13. Слеттен, Марк А.; Мак Лафлин, Дэвид Дж. (15 апреля 2005 г.). «Радарная поляриметрия». Ин Чанг, Кай (ред.). Энциклопедия радиочастотной и микроволновой техники . John Wiley & Sons, Inc., номер документа : 10.1002/0471654507.eme343. ISBN 978-0-471-65450-6.
14. Шранк, Хельмут Э.; Эванс, Гэри Э.; Дэвис, Дэниел (1990). «6 рефлекторных антенн» (PDF) . В Скольнике, Меррилл Иван (ред.). Справочник по радару (PDF) . МакГроу-Хилл. стр. 6.30, рис. 6.25. ISBN 978-0-07-057913-2. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
15. Исии, Т. Корю, изд. (1995). Справочник по микроволновой технике. Том. 2: Приложения. Эльзевир. п. 177. ИСБН 978-0-08-053410-7.
16. Волакис, Джон (2007). Справочник по проектированию антенн, четвертое издание. МакГроу-Хилл. Разд. 26.1. ISBN 9780071475747: Примечание : в отличие от других авторов, этот источник первоначально определяет эллиптичность взаимно, как отношение малой к большой оси, но затем продолжает говорить, что «Хотя [она] меньше единицы, при выражении эллиптичности в децибелах, знак минус часто для удобства опускается», что по существу возвращает к определению, принятому другими авторами.{{cite book}}: CS1 maint: postscript (link)
17. Чипман, РА; Лам, WST; Янг, Г. (2018). Поляризованный свет и оптические системы. Оптические науки и применение света. ЦРК Пресс. ISBN 978-1-4987-0057-3. Проверено 20 января 2023 г.
18. Шарма, К.К. (2006). Оптика: принципы и приложения. Эльзевир Наука. п. 145. ИСБН 978-0-08-046391-9. Проверено 20 января 2023 г.
19. Пракаш, Хари; Чандра, Нареш (1971). «Оператор плотности неполяризованного излучения». Физический обзор А. 4 (2): 796–799. Бибкод : 1971PhRvA...4..796P. doi : 10.1103/PhysRevA.4.796.
20. Чандрасекхар, Субраманян (2013). Радиационный перенос . Курьер. п. 30.
21. Хехт, Юджин (2002). Оптика (4-е изд.). Соединенные Штаты Америки: Эддисон Уэсли. ISBN 0-8053-8566-5.
22. Бекефи, Джордж; Барретт, Алан (1977). Электромагнитные колебания, волны и радиация . США: MIT Press. ISBN 0-262-52047-8.
23. Hecht, Юджин (2002). Оптика (4-е изд.). Соединенные Штаты Америки: Эддисон Уэсли. ISBN 0-8053-8566-5.
24. Деннис Гольдштейн; Деннис Х. Гольдштейн (3 января 2011 г.). Поляризованный свет, переработанный и расширенный . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-203-91158-7.
25. Масуд Мансурипур (2009). Классическая оптика и ее приложения . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-88169-2.
26. Рэнди О. Уэйн (16 декабря 2013 г.). Световая и видеомикроскопия . Академическая пресса. ISBN 978-0-12-411536-1.
27. Питер М. Ширер (2009). Введение в сейсмологию . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-88210-1.
28. Сет Стейн; Майкл Висессион (1 апреля 2009 г.). Введение в сейсмологию, землетрясения и структуру Земли . Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-1-4443-1131-0.
29. Воллхардт, К. Питер С.; Шор, Нил Э. (2003). Органическая химия: структура и функции (4-е изд.). У. Х. Фриман . стр. 169–172. ISBN 978-0-7167-4374-3.
30. Влеммингс, WHT (март 2007 г.). «Обзор поляризации мазера и магнитных полей». Труды Международного астрономического союза . 3 (С242): 37–46. arXiv : 0705.0885 . Бибкод : 2007IAUS..242...37В . дои : 10.1017/s1743921307012549 .
31. Ханну Карттунен; Пекка Крёгер; Хейкки Оя (27 июня 2007 г.). Фундаментальная астрономия . Спрингер. ISBN 978-3-540-34143-7.
32. Бойл, Лэтэм А.; Стейнхардт, П.Дж.; Турок, Н. (2006). «Пересмотр инфляционных прогнозов скалярных и тензорных колебаний». Письма о физических отзывах . 96 (11): 111301. arXiv : astro-ph/0507455 . Бибкод : 2006PhRvL..96k1301B. doi : 10.1103/PhysRevLett.96.111301. PMID  16605810. S2CID  10424288.
33. Тегмарк, Макс (2005). «Что на самом деле предсказывает инфляция?». Журнал космологии и физики астрочастиц . 0504 (4): 001. arXiv : astro-ph/0410281 . Бибкод : 2005JCAP...04..001T. дои : 10.1088/1475-7516/2005/04/001. S2CID  17250080.
34. Кларк, С. (1999). «Поляризованный звездный свет и направленность жизни». Американский учёный . 97 (4): 336–43. Бибкод : 1999AmSci..87..336C. дои : 10.1511/1999.4.336. S2CID  221585816.
35. Бекефи, Джордж; Барретт, Алан (1977). Электромагнитные колебания, волны и радиация . США: MIT Press. ISBN 0-262-52047-8.
36. Дж. Дэвид Пай (13 февраля 2001 г.). Поляризованный свет в науке и природе . ЦРК Пресс. ISBN 978-0-7503-0673-7.
37. Соня Кляйнлогель; Эндрю Уайт (2008). «Тайный мир креветок: поляризационное видение в лучшем виде». ПЛОС ОДИН . 3 (5): е2190. arXiv : 0804.2162 . Бибкод : 2008PLoSO...3.2190K. дои : 10.1371/journal.pone.0002190 . ПМК 2377063 . ПМИД  18478095. 
38. Нубоер, JFW; Куманс, М.а. ДжМ; Вос Хзн, Джей-Джей (1 февраля 1995 г.). «Нет доказательств поляризационной чувствительности на электроретинограмме голубя». Журнал экспериментальной биологии . 198 (2): 325–335. дои : 10.1242/jeb.198.2.325 . ISSN  0022-0949. PMID  9317897. Архивировано из оригинала 27 августа 2019 г. Проверено 27 августа 2019 г.
39. «Создан« Самый быстровращающийся объект »». Новости BBC . 28 августа 2013 г. Архивировано из оригинала 10 сентября 2019 г. Проверено 27 августа 2019 г.
40. Дхолакия, Кишан; Мазилу, Майкл; Арита, Ёсихико (28 августа 2013 г.). «Лазерное вращение и охлаждение запертого микрогироскопа в вакууме». Природные коммуникации . 4 : 2374. Бибкод : 2013NatCo...4.2374A. doi : 10.1038/ncomms3374. hdl : 10023/4019. ПМЦ 3763500 . ПМИД  23982323. 

Общие ссылки

• Аззам, RMA; Башара, Нью-Мексико (1977). Эллипсометрия и поляризованный свет . Северная Голландия. ISBN 0-444-87016-4.
• Борн, М.; Вольф, Э. (1999). Принципы оптики (7-е изд.). Кембриджский университет. ISBN 0-521-64222-1.
• Бросо, К. (1998). Основы поляризованного света: подход статистической оптики . Уайли. ISBN 0-471-14302-2.
• Коллетт, Эдвард (2005). Полевое руководство по поляризации . Полевые руководства SPIE. Том. ФГ05. ШПИОН. ISBN 0-8194-5868-6.
• Дамаск, Джей Н. (2004). Поляризационная оптика в телекоммуникациях . Спрингер. ISBN 0-387-22493-9.
• Гольдштейн, Деннис; Деккер, Марсель (2003). Поляризованный свет (2-е изд.). Тейлор и Фрэнсис. ISBN 0-8247-4053-Х.
• Карлсен, Лейф (2003). Тайны мореплавателей-викингов: как викинги использовали свои удивительные солнечные камни и другие методы, чтобы пересечь открытые океаны . Одна Земля Пресс.
• Кеннен, врач общей практики (1985). Поляризованный свет в природе . Перевод Бирлинга, Джорджия Кембриджского университета. ISBN 0-521-25862-6.
• Пай, Дэвид (2001). Поляризованный свет в науке и природе . Институт физики. ISBN 0-7503-0673-4.
• Шерклифф, Уильям А. (1962). Поляризованный свет, производство и использование . Гарвардский университет.

Внешние ссылки

• Лекция Фейнмана о поляризации
• Галерея цифровых изображений поляризованного света: микроскопические изображения, полученные с использованием эффектов поляризации.
• MathPages: взаимосвязь между спином фотона и поляризацией.
• Виртуальный поляризационный микроскоп
• Угол поляризации спутниковых антенн.
• Молекулярные выражения: наука, оптика и вы — Поляризация света: интерактивное руководство по Java
• Поляризация антенны
• Анимации линейной, круговой и эллиптической поляризации на YouTube