Körkörös polarizáció

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. augusztus 16-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 6 szerkesztést igényelnek .

Az elektrodinamikában az elektromágneses sugárzás cirkuláris polarizációja vagy más módon cirkuláris polarizációja a polarizáció egyik állapota , amelyben az E elektromos térvektor a hullám elektromágneses mezejének minden pontjában állandó értékű, de iránya állandó sebességgel forog. a hullámterjedés irányára merőleges síkban.

A cirkuláris polarizáció az elliptikus polarizáció általánosabb fogalmának egy speciális esete , amikor az elektromos tér E és H vektorainak végei, valamint egy elektromágneses hullám mágneses tere ellipsziseket ír le a forgás során. Elliptikus polarizáció akkor következik be, ha két egymásra merőleges , lineárisan polarizált , eltérő amplitúdójú és fáziskülönbségű oszcillációt adunk össze. Ebből a szempontból a lineáris polarizáció az elliptikus polarizáció másik korlátozó speciális esetének is tekinthető .

Általános leírás

Egy körkörösen polarizált hullám esetén, amint az a mellékelt animáción is látható, az elektromos térvektor csúcsa a tér adott pontjában egy kört ír le az idő függvényében. Idővel a hullám elektromos térvektorának teteje spirálban mozog, az elektromágneses hullám terjedési iránya mentén.

Egy cirkulárisan polarizált hullám két lehetséges irány egyikében foroghat: jobb oldali körpolarizáció, amelyben az elektromos térvektor jobbra forog a terjedési irányhoz képest, és bal oldali cirkuláris polarizáció, amelyben a vektor a terjedési irányhoz képest forog. A bal.

A körkörös polarizáció átalakítása lineáris polarizációvá és fordítva

A körkörös polarizációjú fény egy negyedhullámú lemezen átvezetve lineáris polarizációjú fénnyé alakítható . A lineárisan polarizált fénynek a polarizációs tengelyhez képest 45°-os tengelyű negyedhullámú lemezen való áthaladása cirkuláris polarizációvá alakítja át. Ez a gyakorlatban a körkörös polarizáció elérésének legáltalánosabb módja. Megjegyzendő, hogy a lineárisan polarizált fény 45°-tól eltérő szögben negyedhullámú lemezen

A feltételekről

A mezőt jobb oldali körpolarizáltnak tekintjük, ha a hullámterjedés irányával azonos irányba néző forrás szempontjából az E elektromos térvektor az óramutató járásával megegyező irányban forog. A második animáció a balkezes körpolarizáció (az E elektromos térvektor óramutató járásával ellentétes forgása) szemléltetése ugyanezen szabály alkalmazásával. Ez a meghatározás az Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) szabványt követi , ezért általánosan használatos a mérnöki közösségben [1] [2] [3] . A rádiócsillagászok ezt a definíciót a Nemzetközi Csillagászati Unió (IAU) 1973-ban elfogadott állásfoglalása szerint is használják [4] Az optikai szakirodalomban gyakran használnak alternatív definíciót, amikor a polarizációs vektor forgásirányát a pontból veszik figyelembe. a vevő nézete [5] [6] Ezt a definíciót használják az optika és fotonika területével foglalkozó tudósok és mérnökök nemzetközi szövetsége – a Society of Optics and Photonics (SPIE) – tagjai is. [7] Sok optikával foglalkozó fizika tankönyvben a második definíciót használják, amikor a fényt a vevő szemszögéből írják le [8] [5] . A félreértések elkerülése érdekében a polarizációs kérdések megvitatásakor ajánlatos a "forrás szempontjából meghatározott" vagy "a vevő szempontjából meghatározott" kifejezést feltüntetni.

Dikroizmus

Ismeretes, hogy a bal és jobb körkörös polarizációjú fény eltérően nyelődik el, ha áthalad optikailag aktív molekulák oldatain. Ezt a differenciális fényelnyelési jelenséget cirkuláris dikroizmusnak vagy cirkuláris dikroizmusnak nevezik . A cirkuláris dikroizmus egy olyan spektroszkópia alapja, amelyet az optikai izoméria és a molekulák másodlagos szerkezetének meghatározására használnak. A cirkuláris dikroizmus a legtöbb biológiai molekulában megjelenik a bennük található jobbra forgató (pl. egyes cukrok) és balra forgató (pl. egyes aminosavak) molekulák miatt. Figyelemre méltó az is, hogy a biológiai molekulák másodlagos szerkezete is külön cirkuláris dikroizmust hoz létre a megfelelő molekulákhoz. Ezért a fehérjék alfa-hélixének , béta-lapjának és véletlenszerű tekercseinek régióinak, valamint a nukleinsavak kettős hélixének a spektrális jelek cirkuláris dikroizmusának jellegzetes megnyilvánulásai vannak, amelyek jellemzik szerkezetüket.

Ezen túlmenően, megfelelően megválasztott körülmények között, még a nem királis molekulák, azaz a tökéletesen tükörszimmetrikus molekulák is mágneses tér által kiváltott mágneses körkörös dikroizmust mutatnak.

Lumineszcencia

Cirkulárisan polarizált lumineszcencia akkor fordulhat elő, ha egy foszfor vagy fényporok együttese királis . A sugárzás polarizációs fokát ugyanúgy számszerűsítik, mint a cirkuláris dikroizmust , a diszszimmetria-tényezővel , amelyet néha anizotrópia faktornak is neveznek . Meghatározása a következő:

g_{em}\ =\ 2\left({\theta _{\mathrm {left} }-\theta _{\mathrm {jobbra} } \over \theta _{\mathrm {bal} }+\ théta _{\mathrm {jobbra} }}\jobbra)

ahol a bal oldali cirkuláris polarizációjú fény kvantumhozamának, a jobb oldali cirkuláris polarizációjú fénynek felel meg. $\theta _{\mathrm {left} }$ ${\displaystyle \theta _{\mathrm {jobbra} ))$

Így a tiszta bal vagy tiszta jobb körpolarizációnak megfelelő g em maximális abszolút értéke 2. Eközben a legkisebb abszolút érték, amelyet g em elérhet , amely lineárisan polarizált vagy nem polarizált fénynek felel meg, nulla.

Matematikai leírás

Az elektromágneses hullám egyenlet klasszikus megoldása , vagyis az elektromágneses hullámok közegben vagy vákuumban történő terjedését leíró egyenlet sík szinuszos hullám esetén elektromos és mágneses mezőkre:

{\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{igazított}}

ahol k a hullámszám ,

\omega =ck

a hullám szögfrekvenciája , egy ortogonális mátrix, amelynek oszlopai meghatározzák a keresztirányú xy síkot, és a fény sebessége . $\mathbf {Q} =\left[{\hat {\mathbf {x} )),{\hat {\mathbf {y} }}\jobbra]$ $2\times 2$ $c$

Itt

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

a mező amplitúdója és

|\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{ pmátrix}}

a normalizált Jones-vektor az xy síkban. Ha radiánnal elforgatjuk -hoz képest , és az x amplitúdó egyenlő azzal az y amplitúdóval, amelynél a hullám körpolarizációjú. A Jones-vektornak megvan a formája ${\displaystyle \alpha _{y))$ $\pi /2$ $\alpha _{x}$

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

ahol a plusz jel a bal oldali körpolarizációt, a mínusz jel pedig a jobb oldali körpolarizációt jelzi. Körkörös polarizáció esetén az állandó nagyságú elektromos térvektor az xy síkban forog.

Ha a bázisvektorokat úgy definiáljuk, hogy

|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} }

akkor a polarizációs állapot az "RL bázisba" úgy írható be

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

ahol

{\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}.

Körkörös polarizáció a természetben

Csak néhány olyan mechanizmus ismert a természetben, amely szisztematikusan cirkulárisan polarizált fényt állít elő. 1911-ben Albert Michelson felfedezte, hogy a Chrysina resplendens arany szkarabeusz bogárról visszaverődő fény túlnyomórészt balkezes. Azóta körkörös polarizációt találtak számos más szkarabeusz bogaraknál , például a Chrysina gloriosa - nál [9] , valamint egyes rákféléknél , például a sáska garnélánál . Ezekben az esetekben a fő mechanizmus a kitin kutikula molekuláris szintű helicitása. [10] .

A szentjánosbogár lárvák biolumineszcenciája szintén cirkulárisan polarizált, amint azt 1980-ban a Photuris lucicrescens és a Photuris versicolor fajokról beszámolták . A szentjánosbogarak esetében nehezebb mikroszkopikus magyarázatot találni a polarizációra, mivel a lárvák bal és jobb oldali lámpásai ellentétes forgású polarizált fényt bocsátanak ki. A szerzők azt feltételezik, hogy a lineárisan polarizált fény kezdetben az egymáshoz igazodó fotocitákon belüli inhomogenitások miatt jön ki , majd körkörösen polarizálttá válik, és lineáris kettős töréssel halad át a szöveten. [tizenegy]

A víz-levegő határfelületek a körkörös polarizáció másik forrásai. A felület által visszaszórt napfény lineárisan polarizált. Ha ez a fény teljesen belülről visszaverődik , akkor függőleges komponense fáziseltolódáson megy keresztül. Így a felfelé néző víz alatti megfigyelő számára a Snell-ablak gyenge fénye részben körkörösen polarizált. [12]

A természetben a körkörös polarizáció gyengébb forrásai közé tartozik a lineáris polarizátorok többszörös szórása, például cirkulárisan polarizált csillagfényben, és a cirkulárisan dikroikus közegek szelektív abszorpciója .

A jelentések szerint két sáskarákfaj képes érzékelni a körkörösen polarizált fényt. [13] [14]

Lásd még

Hullámpolarizáció
Polarizátor
Kiralitás
sztereó filmművészet
Hullámlemez
Az elektromágneses hullámegyenlet szinuszos síkhullám megoldásai
Foton polarizáció

Irodalom

Landsberg G. S. . - Szerk. 6. sztereó .. - M . : Fizmatlit , 2003. - 848 p. — ISBN 5-9221-0314-8 . .
Született M. , Wolf E. Az optika alapjai. Szerk. 2. - M . : "Nauka" , 1973. - 720 p.
Fizikai enciklopédikus szótár. - M .: Szovjet Enciklopédia , 1984.

Linkek

↑ IEEE Std 149-1979 (R2008), "IEEE szabványos vizsgálati eljárások antennákhoz". Megerősítve 2008. december 10-én, jóváhagyva: 1977. december 15-én, IEEE-SA Szabványügyi Tanács. Jóváhagyva 2003. október 9-én, az American National Standards Institute. ISBN 0-471-08032-2 . doi : 10.1109/IEEEESTD.1979.120310 , sec. 11.1, p. 61."a polarizáció, vagy kéziség érzését ... jobbkezesnek (balkezesnek) nevezzük, ha a forgásirány az óramutató járásával megegyező (az óramutató járásával ellentétes) irányú a terjedés irányába néző megfigyelő számára"
↑ Elektromágneses hullámok és antennák – SJ Orfanidis: Lábjegyzet, 45. oldal, "a legtöbb műszaki szöveg az IEEE-egyezményt használja, a legtöbb fizikai szöveg pedig az ellenkező konvenciót."
↑ Elektromágneses hullámok és antennák – SJ Orfanidis 44. oldal "Görbítse bal és jobb keze ujjait ökölbe, és mindkét hüvelykujjával mutasson a terjedési irány felé "
↑ IAU Közgyűlés, 1973, 40. bizottság (Radio Astronomy/Radioastronomie), 8. POLARIZÁCIÓS MEGHATÁROZÁSOK – "Westerhout elnökletével egy munkacsoportot hívtak össze, hogy megvitassák a polarizált kiterjesztett objektumok leírásánál használt polarizációs fényesség hőmérsékletek meghatározását és a A 25. és 40. bizottság a következő határozatot fogadta el: „ELHATÁROZOTT, hogy a Stokes-paraméterek vonatkoztatási kerete a jobbra emelkedés és a deklináció az elektromos vektor maximumának pozíciószögével, q, északról indulva és keleten keresztül növekszik. Az elliptikus polarizációt az Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE 211, 1969) definícióival összhangban határozták meg. A tér egy fix pontjában mérve, az idővel növekszik, jobbkezesnek és pozitívnak írják le."
↑ 1 2 Polarizáció spektrális vonalakban. 2004 E. Landi Degl'innocenti, M Landolfi 1.2. szakasz "Amikor ... az elektromos térvektor csúcsa az óramutató járásával megegyező irányban forog a sugárforrással szembenéző megfigyelő számára, ... (ezt figyelembe kell venni)... pozitív (vagy jobbkezes) ) poláris cirkularizáció, Konvenciónk, ... egyetért a polarizált fény klasszikus tankönyveiben Shurcliff (1952) és Clarke és Grainger (1971) által javasoltakkal A polarimetria területén dolgozó csillagászok Sok rádiócsillagász ezzel szemben , használja az ellenkező konvenciót [1] Archiválva : 2021. április 15. a Wayback Machine -nél
↑ OPTIKA KÉZIKÖNYV I. kötet, Eszközök, mérések és tulajdonságok, Michael Bass 272. oldal Lábjegyzet: "A jobbra körkörösen polarizált fény az elektromos vektor óramutató járásával megegyező forgása, amikor a megfigyelő a hullám haladási irányával ellentétes pillantást vet."
↑ A polarizációs ellipszis . spie.org . Letöltve: 2018. április 13. Az eredetiből archiválva : 2018. szeptember 24.. (határozatlan)
↑ Előadások a fizikáról Feynman (1. kötet, 33-1. fejezet) "Ha az elektromos vektor vége, amikor ránézünk, amikor a fény egyenesen felénk jön, az óramutató járásával ellentétes irányban körbemegy, akkor azt hívjuk. ... A bal és jobb oldali körpolarizáció címkézésére vonatkozó konvenciónk összhangban van azzal, amelyet ma a fizika minden olyan részecskéjére alkalmaznak, amelyek polarizációt mutatnak (pl. elektronok). Az optikáról szóló könyvek az ellenkező konvenciót használják, tehát óvatosnak kell lenni."
↑ Srinivasarao, Mohan; Park, Jung Ok; Crne, Matija; Sharma, Vivek. Az ékszeres bogarak körkörösen polarizált iridescenciájának szerkezeti eredete // Tudomány : folyóirat. - 2009. - július 24. ( 325. évf. , 5939. sz.). - P. 449-451 . - doi : 10.1126/tudomány.1172051 . — PMID 19628862 .
↑ Hegedüs, Ramón; Szelb Győző; Horváth Gábor. Szkarabeusz bogarak (Coleoptera: Rutelidae, Cetoniidae ) cirkulárisan polarizálódó kutikulájának képalkotó polarimetriája // Látáskutatás : folyóirat. - 2006. - szeptember ( 46. évf. , 17. sz.). - P. 2786-2797 . - doi : 10.1016/j.visres.2006.02.007 . — PMID 16564066 . Archiválva az eredetiből 2011. július 21-én.
↑ Wynberg, Hans; Meijer, E. W.; Hummelen, JC; Dekkers, HPJM; Schippers, P. H.; Carlson, AD Biolumineszcenciában megfigyelhető cirkuláris polarizáció // Nature . - 1980. - augusztus 7. ( 286. évf. , 5773. sz.). - P. 641-642 . - doi : 10.1038/286641a0 . — . Az eredetiből archiválva : 2011. július 24.
↑ Horváth Gábor; Varju Dezső. Polarizált fény az állatok látásában : Polarizációs minták a természetben . - Springer, 2003. - P. 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. Circular polarization vision in a stomatopod rákfélék // Current Biology . - Cell Press , 2008. - Vol. 18 , sz. 6 . - P. 429-434 . - doi : 10.1016/j.cub.2008.02.066 . — PMID 18356053 .
↑ Sonja Kleinlogel; Andrew White. A garnélák titkos világa: polarizációs látás a javából (angol) // PLOS One : Journal. - 2008. - Vol. 3 , sz. 5 . —P.e2190 . _ doi : 10.1371/ journal.pone.0002190 . - Iránykód . - arXiv : 0804.2162 . — PMID 18478095 .

A Wikimedia Commons rendelkezik a cirkuláris polarizációval kapcsolatos médiával

Szótárak és enciklopédiák	Britannica (online)