Поляризация (волны)
-
Поляризация волн
- Поляризация определяет геометрическую ориентацию колебаний в поперечных волнах.
- В поперечных волнах колебания перпендикулярны направлению движения волны.
- Примеры: электромагнитные волны, гравитационные волны, звуковые волны в твердых телах.
-
Электромагнитные волны
- Электромагнитные волны состоят из связанных колеблющихся электрического и магнитного полей.
- Поляризация электромагнитных волн определяется направлением электрического поля.
- Линейная поляризация: поля колеблются в одном направлении.
- Круговая поляризация: поля вращаются в плоскости с постоянной скоростью.
-
Поляризованный свет
- Свет от многих источников состоит из неполяризованного света.
- Поляризованный свет можно получить, пропуская неполяризованный свет через поляризатор.
- Некоторые материалы влияют на поляризацию света, например, двойное лучепреломление.
-
Квантовая механика и поляризация
- Электромагнитные волны можно рассматривать как потоки фотонов.
- Поляризация определяется квантово-механическим свойством фотонов — спином.
- Линейно поляризованные волны состоят из фотонов с равной амплитудой и фазами.
-
Применение поляризации
- Поляризация важна в оптике, сейсмологии, радио и микроволнах.
- Технологии, такие как лазеры и телекоммуникации, используют поляризацию.
-
Электромагнитные волны и анизотропные среды
- В анизотропных средах электрическое или магнитное поле может иметь продольную и поперечную составляющие.
- В изотропных средах с затуханием поля также не являются строго поперечными.
- Поверхностные волны и волны в волноводах могут быть описаны как электрические или магнитные поперечные моды.
-
Поляризация и состояния поляризации
- Поляризация определяется в терминах состояний чистой поляризации с когерентной синусоидальной волной.
- Вектор электрического поля описывает колебания в плоскости xy, волна распространяется в направлении z.
- Линейная поляризация может быть представлена как сложение горизонтально и вертикально поляризованных волн.
- Эллиптическая поляризация возникает при фазовом сдвиге между компонентами.
- Круговая поляризация создается четвертьволновой пластинкой.
-
Эллипс поляризации и вектор Джонса
- Эллипс поляризации описывает вектор электрического поля в течение одного цикла колебаний.
- Параметры эллипса: угол ориентации θ и эллиптичность ε.
- Вектор Джонса представляет амплитуду и фазу колебаний двух составляющих вектора электрического поля.
-
Координатная рамка и обозначения s и p
- Ориентация системы координат обеспечивает вращение относительно направления распространения.
- Горизонтальная и вертикальная поляризация связаны с первой и второй составляющими вектора Джонса.
- В астрономии используется экваториальная система координат.
- Поляризация p-подобная (параллельная плоскости падения) и s-подобная (перпендикулярная плоскости падения).
-
Степень поляризации
- Степень поляризации (DOP) описывает поляризованную часть электромагнитной волны.
- Идеально поляризованная волна имеет DOP 100%, неполяризованная волна имеет DOP 0%.
-
DOP и поляризация фотолюминесценции
- DOP рассчитывается как доля мощности, которую несет поляризованная составляющая волны
- DOP используется для отображения поля деформаций в материалах
- Поляризация фотолюминесценции связана с деформацией через тензор фотоупругости
- DOP визуализируется как длина вектора от центра сферы Пуанкаре
-
Неполяризованный и частично поляризованный свет
- Неполяризованный свет имеет случайную поляризацию
- Естественный свет создается независимо атомами или молекулами
- Неполяризованный свет не формирует интерференционную картину
- Деполяризатор создает быстро изменяющуюся поляризацию
- Поляризатор создает поляризованный луч из неполяризованного
-
Поляризация при распространении волн
- В вакууме компоненты электрического поля распространяются со скоростью света
- В веществе распространение изменяется в соответствии с показателем преломления
- Двойное лучепреломление и дихроизм изменяют состояние поляризации
-
Двойное лучепреломление
- В двулучепреломляющем веществе волны разной поляризации распространяются с разной скоростью
- Линейное двулучепреломление проявляется в оптических волновых пластинах и кристаллах
- Круговое двулучепреломление называется оптической активностью
- Эллиптическое двулучепреломление имеет две ортогональные эллиптические поляризации
-
Дихроизм
- Среды с ослаблением одной поляризационной моды называются дихроичными
- Поляризаторы блокируют излучение в одном режиме поляризации
- Практичные поляризаторы имеют дополнительные потери
-
Зеркальное отражение
- Эффекты поляризации возникают на границе раздела двух материалов с разным показателем преломления
- Состояние поляризации отраженного света изменяется в зависимости от угла падения
-
Поляризация света и её применение
- Свет, падающий под углом Брюстера, отражается с сохранением только s-поляризации.
- Поляризатор с набором пластин использует этот принцип для снятия s-поляризации.
- Поляризованные солнцезащитные очки блокируют s-поляризацию для устранения бликов.
-
Поляризация при нормальном падении
- При нормальном падении нет особой s- или p-поляризации.
- Круговая поляризация меняет направленность на противоположную.
- В общем случае отражения под ненулевым углом обобщение невозможно.
-
Методы измерения поляризации
- Эллипсометрия измеряет поляризационное состояние света после отражения.
- Эллипсометры используются для моделирования показателя преломления и определения параметров тонких пленок.
-
Поляризация в геологии и минералогии
- Линейное двулучепреломление используется для идентификации минералов.
- Поляризационные микроскопы помогают в обнаружении инородных тел в биологических тканях.
-
Поляризация в химии
- Линейное двулучепреломление в кристаллах полезно для идентификации.
- Круговое двулучепреломление в жидкостях показывает концентрацию хиральных молекул.
-
Поляризация в астрономии
- Поляризация электромагнитного излучения из космоса важна для изучения источников и рассеяния.
- Поляризация космического микроволнового фона используется для изучения ранней Вселенной.
-
Поляризованные солнцезащитные очки
- Поляризованный свет от жидкокристаллических мониторов заметен при ношении.
- Поляризация неба используется для затемнения неба на фотографиях и увеличения контрастности.
-
Технологии отображения информации
- Принцип ЖК-дисплеев основан на вращении оси линейной поляризации.
-
Поляризованный свет в жидкокристаллических дисплеях
- Жидкокристаллический слой состоит из спиралей, что приводит к круговому двойному лучепреломлению.
- При приложении напряжения молекулы выпрямляются, устраняя круговое двулучепреломление.
- На видимой стороне дисплея находится линейный поляризационный лист, ориентированный под углом 90 градусов.
- При отсутствии напряжения поляризация проходит насквозь, при напряжении — остается под прямым углом.
-
Поляризационное кодирование в 3D-дисплеях
- Поляризационное кодирование используется для передачи отдельных изображений левому и правому глазу.
- Круговая поляризация обеспечивает нечувствительность к наклону головы.
- Для проецирования изображений требуются экраны, поддерживающие поляризацию.
-
Поляризация в радиосвязи
- Антенны передают сигналы определенной поляризации, нечувствительны к противоположной.
- Большинство антенн имеют линейную поляризацию, но возможна эллиптическая и круговая.
- Поляризация важна для избежания помех и улучшения качества сигнала.
-
Поляризация и зрение у животных
- Многие животные способны воспринимать поляризацию света.
- Пчелы используют поляризацию для ориентации в коммуникативных танцах.
- Осьминоги, кальмары, каракатицы и креветки-богомолы также обладают поляризационной чувствительностью.
-
Поляризация неба и голуби
- Голуби не воспринимают поляризацию неба для самонаведения.
- Это популярный миф, опровергнутый исследованиями.
-
Чувствительность человеческого глаза к поляризации
- Невооруженный человеческий глаз слабо чувствителен к поляризации.
- Поляризованный свет создает слабый узор, называемый кистью Хайдингера.
- Этот узор трудно увидеть, но можно научиться обнаруживать его с практикой.
-
Момент импульса с круговой поляризацией
- Электромагнитное излучение несет линейный импульс в направлении распространения.
- Свет также обладает угловым моментом при круговой поляризации.
- Величина углового момента света очень мала по сравнению с линейным импульсом.
- В эксперименте угловой момент был использован для достижения скорости до 600 миллионов оборотов в минуту.
-
Дополнительные ресурсы
- Квантовая физика, плоскость поляризации, вращательный момент света, оптика, деполяризатор, анизотропия флуоресценции, призма Глана–Тейлора, эффект Керра, Николь Призм, эффект карманов, вращатель поляризации, микроскопия в поляризованном свете, поляризатор, полароид, радиальная поляризация, модель неба Рэлея, волновая пластина.
- Рекомендации, цитируемые ссылки, общие рекомендации, внешние ссылки, лекция Фейнмана о поляризации, галерея цифровых изображений в поляризованном свете, математические страницы, виртуальный поляризационный микроскоп, угол поляризации в спутниковых антеннах, молекулярные выражения, поляризация антенны, анимация линейной, круговой и эллиптической поляризаций на YouTube.