Cirkulär polarisering

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 16 augusti 2021; kontroller kräver 6 redigeringar .

Inom elektrodynamik är cirkulär polarisation eller på annat sätt cirkulär polarisation av elektromagnetisk strålning ett av polarisationstillstånden , där den elektriska fältvektorn E vid varje punkt av vågens elektromagnetiska fält har ett konstant värde, men dess riktning roterar med konstant hastighet i ett plan vinkelrätt mot vågens utbredningsriktning.

Cirkulär polarisation kan betraktas som ett specialfall av det mer allmänna begreppet elliptisk polarisation , när ändarna av vektorerna E och H för det elektriska fältet och magnetfältet för en elektromagnetisk våg beskriver ellipser under rotation. Elliptisk polarisation uppstår när två ömsesidigt vinkelräta linjärt polariserade svängningar med olika amplituder och fasskillnad adderas. Ur denna synvinkel kan linjär polarisation också betraktas som ett annat begränsande specialfall av elliptisk polarisation .

Allmän beskrivning

I fallet med en cirkulärt polariserad våg, som visas i den medföljande animationen, beskriver spetsen för den elektriska fältvektorn vid en given punkt i rymden en cirkel över tid. Med tiden rör sig toppen av vågens elektriska fältvektor i en spiral, orienterad längs den elektromagnetiska vågens utbredningsriktning.

En cirkulärt polariserad våg kan rotera i en av två möjliga riktningar: höger cirkulär polarisation, där den elektriska fältvektorn roterar åt höger med avseende på utbredningsriktningen, och vänster cirkulär polarisation, i vilken vektorn roterar till vänster.

Konvertera cirkulär polarisation till linjär polarisation och vice versa

Ljus med cirkulär polarisation kan omvandlas till ljus med linjär polarisation genom att passera det genom en kvartsvågsplatta . Passagen av linjärt polariserat ljus genom en kvartsvågsplatta med axlar vid 45° mot polarisationsaxeln omvandlar det till cirkulär polarisation. Detta är det vanligaste sättet att få cirkulär polarisering i praktiken. Det bör noteras att passagen av linjärt polariserat ljus genom en kvartsvågsplatta i en annan vinkel än 45° vanligtvis resulterar i elliptisk polarisation.

Om villkor

Fältet anses vara högerriktat cirkulärt polariserat om den elektriska fältvektorn E roterar medurs ur källans synvinkel som ser i samma riktning som vågens utbredningsriktning . Den andra animationen är en illustration av vänsterhänt cirkulär polarisation ( moturs rotation av den elektriska fältvektorn E ) med samma regel. Denna definition följer IEEE-standarden ( Institute of Electrical and Electronics Engineers) och används därför ofta inom ingenjörssamfundet [1] [2] [3] . Radioastronomer använder också denna definition i enlighet med resolutionen från International Astronomical Union (IAU) som antogs 1973 [4] En alternativ definition används ofta i den optiska litteraturen, när rotationsriktningen för polarisationsvektorn betraktas från punkten mottagarens syn [5] [6] Denna definition används också i verk av medlemmar i den internationella sammanslutningen av forskare och ingenjörer inom området optik och fotonik - Society of Optics and Photonics (SPIE). [7] I många fysikläroböcker som ägnas åt optik används den andra definitionen, när ljus beskrivs från mottagarens synvinkel [8] [5] . För att undvika förvirring, när man diskuterar polarisationsfrågor, rekommenderas det att ange "definierad från källans synvinkel" eller "definierad från mottagarens synvinkel".

Dichroism

Det är känt att ljus med vänster och höger cirkulär polarisation absorberas olika när det passerar genom lösningar av optiskt aktiva molekyler. Detta fenomen med differentiell absorption av ljus kallas cirkulär dikroism eller cirkulär dikroism . Cirkulär dikroism är grunden för en form av spektroskopi som används för att bestämma optisk isomerism och den sekundära strukturen hos molekyler. Cirkulär dikroism förekommer i de flesta biologiska molekyler på grund av de högervridande (t.ex. vissa sockerarter) och vänstervridande (t.ex. vissa aminosyror) molekyler de innehåller. Det är också anmärkningsvärt att den sekundära strukturen hos biologiska molekyler också kommer att skapa separat cirkulär dikroism till sina respektive molekyler. Därför har alfa-helix , beta-ark och regioner av slumpmässiga spolar av proteiner och dubbelhelixen nukleinsyror karakteristiska manifestationer av cirkulär dikroism av spektrala signaler som karakteriserar deras strukturer.

Dessutom, under korrekt valda förhållanden, kommer även icke-kirala molekyler, det vill säga perfekt spegelsymmetriska molekyler, att uppvisa magnetisk cirkulär dikroism inducerad av ett magnetfält.

Luminescens

Cirkulärt polariserad luminescens kan uppstå när en fosfor eller ensemble av fosfor är kiral . Graden av polarisering av strålning kvantifieras på samma sätt som för cirkulär dikroism , i termer av dissymmetrifaktorn , även ibland kallad anisotropifaktorn . Det definieras som:

g_{em}\ =\ 2\left({\theta _{\mathrm {vänster} }-\theta _{\mathrm {höger} } \över \theta _{\mathrm {vänster} }+\ theta _{\mathrm {höger} }}\right)

där motsvarar kvantutbytet av ljus med vänster cirkulär polarisation och för ljus med höger cirkulär polarisation. $\theta _{\mathrm {vänster} }$ $\theta _{\mathrm {höger} }$

Således är det maximala absoluta värdet av g em som motsvarar ren vänster eller ren höger cirkulär polarisation 2. Under tiden är det minsta absoluta värdet som g em kan nå , motsvarande linjärt polariserat eller opolariserat ljus, noll.

Matematisk beskrivning

Den klassiska lösningen av den elektromagnetiska vågekvationen , det vill säga ekvationen som beskriver utbredningen av elektromagnetiska vågor genom ett medium eller i ett vakuum, för fallet med en plan sinusformad våg för elektriska och magnetiska fält är

{\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}}

där k är vågnumret ,

\omega =ck

är vinkelfrekvensen för vågen, en ortogonal matris vars kolumner definierar det tvärgående xy-planet, och är ljusets hastighet . $\mathbf {Q} =\left[{\hat {\mathbf {x} )),{\hat {\mathbf {y} }}\right]$ $2\times 2$ $c$

Här

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

är fältamplituden och

|\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}}

den normaliserade Jones-vektorn i xy-planet. Om den roteras med en radian med avseende på , och amplituden x är lika med amplituden y, vid vilken vågen har cirkulär polarisation. Jones-vektorn har formen ${\displaystyle \alpha _{y))$ $\pi /2$ $\alpha _{x}$

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

där plustecknet indikerar vänster cirkulär polarisation och minustecknet indikerar höger cirkulär polarisation. I fallet med cirkulär polarisation roterar den elektriska fältvektorn med konstant storlek i xy-planet.

Om basvektorerna är definierade så att

|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} }

då kan polariseringstillståndet skrivas i "RL-basen" som

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

var

{\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}.

Cirkulär polarisering i naturen

Endast ett fåtal mekanismer är kända i naturen som systematiskt producerar cirkulärt polariserat ljus. 1911 upptäckte Albert Michelson att ljus som reflekterades från den gyllene skarabebaggen Chrysina resplendens till övervägande del var vänsterhänt. Sedan dess har cirkulär polarisering hittats i flera andra skarabee skalbaggar , såsom Chrysina gloriosa , [9] såväl som vissa kräftdjur , såsom bönsyrsa . I dessa fall är huvudmekanismen den kitinösa nagelbandets helicitet på molekylär nivå. [10] .

Bioluminescensen hos eldflugelarver är också cirkulärt polariserad, vilket rapporterades 1980 för arterna Photuris lucicrescens och Photuris versicolor . För eldflugor är det svårare att hitta en mikroskopisk förklaring till polariseringen eftersom larvernas vänstra och högra lyktor har visat sig sända ut polariserat ljus med motsatt rotation. Författarna antar att linjärt polariserat ljus initialt emitteras på grund av inhomogeniteter inom inriktade fotocyter , och det blir cirkulärt polariserat och passerar genom vävnaden med linjär dubbelbrytning. [elva]

Vatten-luft-gränssnitt är en annan källa till cirkulär polarisering. Solljus som sprids tillbaka av ytan är linjärt polariserat. Om detta ljus sedan fullständigt internt reflekteras tillbaka ner, genomgår dess vertikala komponent en fasförskjutning. Således, för en undervattensobservatör som tittar upp, är det svaga ljuset från Snell-fönstret delvis cirkulärt polariserat. [12]

Svagare källor för cirkulär polarisation i naturen inkluderar multipel spridning av linjära polarisatorer, såsom i cirkulärt polariserat stjärnljus, och selektiv absorption av cirkulärt dikroiskt medium .

Två arter av mantisräkor rapporteras kunna detektera cirkulärt polariserat ljus. [13] [14]

Se även

Vågpolarisering
Polarisator
Chiralitet
stereofilm
Vågplatta
Sinusformade planvågslösningar av den elektromagnetiska vågekvationen
Fotonpolarisering

Litteratur

Landsberg G. S. . - Ed. 6:e stereon .. - M . : Fizmatlit , 2003. - 848 sid. — ISBN 5-9221-0314-8 . .
Born M. , Wolf E. Fundamentals of optics. Ed. 2:a. - M . : "Nauka" , 1973. - 720 sid.
Fysisk encyklopedisk ordbok. — M .: Soviet Encyclopedia , 1984.

Länkar

↑ IEEE Std 149-1979 (R2008), "IEEE Standard Test Procedures for Antenner". Återbekräftad 10 december 2008, Godkänd 15 december 1977, IEEE-SA Standards Board. Godkänd 9 oktober 2003, American National Standards Institute. ISBN 0-471-08032-2 . doi : 10.1109/IEEEESTD.1979.120310 , sek. 11.1, sid. 61."känslan av polarisering, eller handenhet ... kallas högerhänt (vänsterhänt) om rotationsriktningen är medurs (moturs) för en observatör som tittar i utbredningsriktningen"
↑ Elektromagnetiska vågor och antenner – SJ Orfanidis: Fotnot s.45, "de flesta tekniska texter använder IEEE-konventionen och de flesta fysiktexter, den motsatta konventionen."
↑ Elektromagnetiska vågor & antenner – SJ Orfanidis Pg 44 "Krulla fingrarna på dina vänstra och högra händer till en knytnäve och peka båda tummarna mot utbredningsriktningen"
↑ IAU General Assembly Meeting, 1973, Commission 40 (Radio Astronomy/Radioastronomie), 8. POLARISATIONSDEFINITIONER -- "En arbetsgrupp ledd av Westerhout sammankallades för att diskutera definitionen av polarisationsljusstyrkatemperaturer som används i beskrivningen av polariserade utsträckta objekt och Följande resolution antogs av kommissionerna 25 och 40: "BESLUTADE att referensramen för Stokes-parametrarna är den för höger uppstigning och deklination med positionsvinkeln för den elektriska vektorns maximum, q, med start från norr och ökande genom öst. Elliptisk polarisation definieras i enlighet med definitionerna av Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE Standard 211, 1969). mätt vid en fast punkt i rymden, ökar med tiden, beskrivs som högerhänt och positiv."
↑ 1 2 Polarisation i spektrallinjer. 2004 E. Landi Degl'innocenti, M Landolfi Avsnitt 1.2 "När ... spetsen på den elektriska fältvektorn roterar medurs för en observatör som är vänd mot strålningskällan, ... (det kommer att betraktas) ... positivt (eller högerhänt) ) polär cirkularisering, Vår konvention, ... överensstämmer med de som föreslagits i de klassiska läroböckerna om polariserat ljus av Shurcliff (1952) och av Clarke och Grainger (1971) astronomer som arbetar inom polarimetriområdet Många radioastronomer å andra sidan , använd den motsatta konventionen [1] Arkiverad 15 april 2021 på Wayback Machine
↑ HANDBOK OPTICS Volym I, Devices, Measurements and Properties, Michael Bass Sida 272 Fotnot: "Högercirkulärt polariserat ljus definieras som en medurs rotation av den elektriska vektorn när observatören tittar mot den riktning som vågen rör sig."
↑ Polarisationsellipsen . spie.org . Hämtad 13 april 2018. Arkiverad från originalet 24 september 2018. (obestämd)
↑ Lectures on Physics Feynman (Vol. 1, ch.33-1) "Om slutet av den elektriska vektorn, när vi ser på den när ljuset kommer rakt mot oss, går runt i en moturs riktning, kallar vi det ... Vår konvention för märkning av vänster och höger cirkulär polarisation stämmer överens med den som används idag för alla andra partiklar i fysiken som uppvisar polarisation (t.ex. elektroner). böcker om optik används de motsatta konventionerna, så man måste vara försiktig."
↑ Srinivasarao, Mohan; Park, Jung Ok; Crne, Matija; Sharma, Vivek. Structural Origin of Circularly Polarized Iridescence in Jeweled Beetles // Science : journal. - 2009. - 24 juli ( vol. 325 , nr 5939 ). - S. 449-451 . - doi : 10.1126/science.1172051 . — PMID 19628862 .
↑ Hegedüs, Ramón; Győző Szelb; Gabor Horvath. Imaging polarimetri av den cirkulärt polariserande nagelbandet hos skarabeebaggar (Coleoptera: Rutelidae, Cetoniidae ) // Vision Research : journal. - 2006. - September ( vol. 46 , nr 17 ). - P. 2786-2797 . - doi : 10.1016/j.visres.2006.02.007 . — PMID 16564066 . Arkiverad från originalet den 21 juli 2011.
↑ Wynberg, Hans; Meijer, E.W.; Hummelen, JC; Dekkers, HPJM; Schippers, P.H.; Carlson, AD Cirkulär polarisation observerad i bioluminescens // Nature . - 1980. - 7 augusti ( vol. 286 , nr 5773 ). - s. 641-642 . - doi : 10.1038/286641a0 . — . Arkiverad från originalet den 24 juli 2011.
↑ Horvath, Gabor; Dezso Varju. Polariserat ljus i djurens syn : Polarisationsmönster i naturen . - 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. Cirkulär polarisationsseende hos ett stomatopod-kräftdjur // Aktuell biologi . - Cell Press , 2008. - Vol. 18 , nr. 6 . - s. 429-434 . - doi : 10.1016/j.cub.2008.02.066 . — PMID 18356053 .
↑ Sonja Kleinlogel; Andrew White. Räkornas hemliga värld: polarisationsvision när den är som bäst (engelska) // PLOS One : journal. - 2008. - Vol. 3 , nr. 5 . —P.e2190 . _ doi : 10.1371/ journal.pone.0002190 . - . - arXiv : 0804.2162 . — PMID 18478095 .

Wikimedia Commons har media relaterade till cirkulär polarisering

Ordböcker och uppslagsverk	Britannica (online)